中國科大實現(xiàn)基于冷原子的多節(jié)點量子存儲網(wǎng)絡(luò)

  ICCSZ訊 中國科大25日消息，中國科大潘建偉、包小輝等在量子網(wǎng)絡(luò)方向研究取得重要進(jìn)展，成功地利用多光子干涉將分離的三個冷原子量子存儲器糾纏起來，為構(gòu)建多節(jié)點、遠(yuǎn)距離的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。該成果于1月21日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)權(quán)威期刊《自然?光子學(xué)》上。

  與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)，量子網(wǎng)絡(luò)指的是遠(yuǎn)程量子處理器間的互聯(lián)互通。按照其發(fā)展程度可分為：量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子存儲網(wǎng)絡(luò)、量子計算網(wǎng)絡(luò)三個階段。量子存儲網(wǎng)絡(luò)是量子密鑰網(wǎng)絡(luò)的下一階段。在每個節(jié)點，量子態(tài)存儲在量子存儲器內(nèi)，能夠在適當(dāng)?shù)臅r候按需讀出。因此基于量子存儲網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行更為高級的量子信息任務(wù)，如進(jìn)行量子態(tài)隱形傳輸、分布式量子計算等。

  鑒于量子網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用價值，國際競爭非常激烈。量子密鑰網(wǎng)絡(luò)已較為成熟，目前正在進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用，如我國已經(jīng)建成的量子保密通信京滬干線等。在量子存儲網(wǎng)絡(luò)方向，當(dāng)前的主要目標(biāo)是拓展節(jié)點數(shù)目以及增加節(jié)點間的距離。如荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)擬搭建一個連接代爾夫特、阿姆斯特丹等城市的四節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)。美國的阿貢國家實驗室、費(fèi)米實驗室與芝加哥大學(xué)也在謀劃類似的量子網(wǎng)絡(luò)。

實驗裝置圖

  構(gòu)建量子存儲網(wǎng)絡(luò)的基本資源是光與原子間的量子糾纏。糾纏的亮度及品質(zhì)直接決定了量子網(wǎng)絡(luò)的尺度與規(guī)模。為提升糾纏亮度，潘建偉、包小輝研究組采用環(huán)形腔增強(qiáng)技術(shù)來增加單光子與原子系綜間耦合，進(jìn)而使得糾纏制備效率大幅提升。為提升糾纏品質(zhì)，該團(tuán)隊采用高階模式鎖腔、自濾波等技術(shù)，使得雜散背景光子得到很好抑制。兩者相結(jié)合，在維持糾纏品質(zhì)不變的情況下，糾纏源的亮度比以往雙節(jié)點實驗中提升了一個數(shù)量級以上。

  以高亮度光與原子糾纏為基礎(chǔ)，該研究組通過制備多對糾纏，并通過三光子干涉成功地將三個原子系綜量子存儲器糾纏起來。實驗中，三個量子存儲器位于兩間獨立實驗室內(nèi)，二者間由18米單模光纖相連。審稿人稱贊這一工作為“多節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)的里程碑(milestone for multi-party quantum networks)”。進(jìn)一步結(jié)合該團(tuán)隊之前實現(xiàn)的百毫秒存儲技術(shù)(Nat. Photon. 10, 381, 2016)，以及里德堡糾纏技術(shù)(Phys. Rev. Lett. 117, 180501, 2016)，將有望對節(jié)點數(shù)目進(jìn)一步拓展。采用量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)將原子波長轉(zhuǎn)換至通信波段，也將有望對節(jié)點間的距離進(jìn)行大幅拓展。

  該工作得到科技部、國家基金委、中科院和安徽省等部門的資助。

  論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0342-x

  (合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)