中国科大首次实现可扩展量子中继器的光学演示

近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、赵博等在国际上首次利用参量下转换光源，实现了基于线性光学的量子中继器中的嵌套纠缠纯化（nested purification）和二级纠缠交换（two-hierarchy entanglement swapping）过程。基于该技术，以往量子纠缠交换过程中阻碍分发态被进一步相干操作的主要噪声可以被自动剔除，这为将来实现基于原子系综的可扩展线性光量子中继器提供了前瞻性的技术指引。这两项重要成果分别发表在《自然•光子学》和《物理评论快报》上。　　量子中继器是地面实用化远距离量子通信中必不可少的关键器件。受到通信链路衰减和噪声等因素的影响，直接进行量子通信的节点距离存在极限。为了突破这一极限，可以利用量子中继器连接多个通信节点，从而实现远距离的量子通信。自1998年量子中继器的概念被提出后，科学家们一直努力搭建实用化量子中继器。为了扩展通信距离，连续的纠缠操纵是完整实现量子中继器的基本需求。这可以通过纠缠交换和纠缠纯化实现。其中纠缠交换用于提升量子态传输距离，纠缠纯化用于抵抗量子态传输过程中的退相干效应。　　

初步的量子纠缠交换和纠缠纯化已在线性光学系统中演示，但以往工作尚未具备可扩展性，即获得的分发态不能直接用于后续的纠缠操纵。这是由于参量下转化纠缠源产生光子对是概率性的，在下转换过程中由于存在双光子噪声项，进行单次纠缠交换时，量子分发态本质上是50%纠缠态和50%无用态的混态。以往，科学家只能使用后选择从混态中提取所需纠缠态，但后选择具有破坏性，它使得分发后的量子态被测量坍缩，因而该分发态无法再被用于下一步的纠缠操纵。因此，科学家必须寻求一种非破坏的方法剔除掉这噪声项，而嵌套纠缠纯化和级联纠缠交换则能够解决这一问题。　　　　

潘建伟团队致力于量子中继器的实用化研究，特别是在多光子纠缠制备和操纵方面一直处于世界领先地位。多光子组掌握的八光子及十光子操控技术，为在参量下转换系统中实现光量子中继器的原理性演示提供了硬件支持；2008年，科研团队搭建的兼顾纠缠交换和量子存储的量子中继器节点，为未来实现基于原子系综系统的量子中继器打下坚实基础。2016年，该团队采用冷原子系综，研制出百毫秒级高效量子存储器，实现了存储寿命达到0.22秒、读出效率达到76%的高性能量子存储器，第一次将存储寿命及读出效率提升到能够满足远距离量子中继的实际需求。此次研究工作则基于八体纠缠光源，首次演示了嵌套量子纠缠纯化和级联量子纠缠交换。通过巧妙地设置贝尔态测量装置，不仅能完全消除纠缠交换过程中双光子干扰项、同时保留分发量子态进一步可操纵性。结合使用光纤模拟量子存储以及测量反馈装置，实现了可扩展量子中继器的光学演示。这一开创性的工作使基于参量下转换光源构建量子中继器的可行性获得了进一步验证。尤其是原子系综系统中的原子－光子纠缠源存在和参量下转换纠缠源同样的双光子噪声项，该技术也可直接应用于基于原子系综的量子中继器。　　

这两项工作均在国际上逾越了以往只能演示量子中继器中单次纠缠操纵的技术障碍，首次实现了对量子态的连续纠缠操控，基于线性光学系统发展了可扩展量子中继器技术，击碎了实用光量子中继器发展道路上的一道坚实壁垒。研究成果表明，参量下转换源原则上完全有能力成为实用光量子中继器的另一可信系统。同时，这两项工作将大力推动基于原子系综量子中继器的可扩展性技术研究。　　

　　研究工作得到了科技部、自然科学基金委、教育部、中科院等的资助。　

左图：嵌套量子纠缠纯化示意图。右图：二级量子纠缠交换示意图。