梦晨 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

中科大首次实现多模式量子中继，并实现两个固态存储器的量子纠缠。

看不懂？

没关系，研究人员将其比喻成“量子鹊桥”：让“量子牛郎”和“量子织女”在没见面的情况下就能产生纠缠，这下就很直观了。

该成果由中国科学技术大学郭光灿院士团队，李传锋、周宗权研究组提出，并登上Nature封面。

量子在光纤中传输有指数级的损耗，经过50公里的光纤传输，信号将衰减至最初的十亿亿分之一。

后续研究通过转换光波长等方法，将传输距离提高到百公里量级，但这还远远不够。

为了实现长距离传输，在全国、甚至全球搭建量子网络，就需要中继方案。

中继的基本思路就是把长程传输分解成多段短距离传输，核心是每个节点上的量子存储器。

通过在存储器之间建立量子纠缠，再利用纠缠交换技术逐步扩大量子纠缠的距离。

此前的方案是纠缠光子由存储器直接发射出来的发射型存储器，李传锋教授在接受新华社采访时表示：

之前大家用的是发射型量子存储器，要么一次只能传输1个量子，效率低；要么一次传输多个量子，但精确率低。

而本次研究用三年时间完善了吸收型量子存储器，将存储和发射分离开来。

△来自中科院量子信息重点实验室

实现了在一次捕获并存储4对纠缠量子的情况下，两个节点之间的纠缠保真度还实测超过80%。

量子是怎么被存储的？

李传锋、周宗权研究组研究的是基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储，最早于2012年实现99.9%保真度的存储。

这种存储器利用两块1.4毫米厚的掺钕钒酸钇晶体，分别处理光的两种正交偏振态。

△一种优质激光晶体

再把一片特殊设计的半波片置于两块晶体之间，来实现这两种偏振态的互换，整个量子存储器的结构就像“三明治”。

对于经典的硬盘，每一个存储单元只能存储一个比特，而量子具有相干性，一个存储单元可以一次性存储大量的量子比特。

在此基础上，研究团队在2015年利用光子的空间自由度实现了51维的存储。又在2018年完成空间、时间和频率分开的多模式复用存储。

2020年，通过在稀土掺杂晶体中刻蚀出光波导，研究出可集成的量子存储，并可根据需求决定读出的时间。

今年4月，又将光存储时间从分钟级推进至小时级。

信号光场(Probe)被梳状的原子吸收谱吸收，并被控制光场(Control)存储为自旋激发，在射频场(RF)的操控下将光存储时间从分钟级推进至小时级，存储保真度达99.9%。

有了以上跨越10年的量子存储不断改进，才最终得以实现本次演示的多模式复用，同时存储4个量子的中继效果。

本次演示中完整的试验装置是这样的：

在现实中是这样：

△摄影：中国科大全媒体中心 杨建瑞 马潇汉 余梓铭

对于今后的研究方向，李传锋教授表示：

下一步，研究组将继续提高量子存储器的各项指标，并采用确定性纠缠光源，从而大幅提高纠缠分发的速率，努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3#Fig10

参考链接：
[1]http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/1041
[2]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm
[3]http://news.ustc.edu.cn/info/1048/34214.htm
[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.190505
[5]http://news.ustc.edu.cn/info/1032/23085.htm
[6]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm