清華新聞網(wǎng)12月13日電 近日,，清華大學(xué)交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組，在冷原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了12公里光纖長度上多模式增強(qiáng)的預(yù)報(bào)式原子-光子糾纏,。該工作創(chuàng)造了多項(xiàng)城際（>10公里）量子互聯(lián)網(wǎng)的世界紀(jì)錄,，包括城際距離上的原子-光子糾纏產(chǎn)生速率達(dá)到1.95kHz，城際距離上原子-光子糾纏產(chǎn)生速率和量子存儲(chǔ)器退相干速率的比值達(dá)到0.46（信道效率）,，糾纏效率通過多模復(fù)用的增強(qiáng)倍數(shù)達(dá)到140倍（280模式）,。特別值得關(guān)注的是，當(dāng)未來使用兩個(gè)此種量子中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí),，信道效率可達(dá)到0.92,，接近于信道效率大于1的擴(kuò)展閾值。
量子網(wǎng)絡(luò)和量子中繼是未來實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模量子計(jì)算、洲際量子通訊,、全球量子互聯(lián)網(wǎng),、超高精度量子精密測量的必經(jīng)之路。量子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展的難點(diǎn)在于,，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過光子干涉產(chǎn)生預(yù)報(bào)式糾纏所消耗的時(shí)間必須小于量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相干時(shí)間（即“信道效率”大于1）,，在這種情況下量子網(wǎng)絡(luò)才能通過糾纏交換的方法實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展，以及有效利用多對（大于等于2）遠(yuǎn)距離量子糾纏,。因此,，信道效率大于1是量子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的條件。目前,，信道效率大于1只能在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模（光纖長度約為10m）的量子網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn),。對于城際規(guī)模（光纖長度大于10公里）的量子網(wǎng)絡(luò)，由于光在光纖中的傳播時(shí)間限制,，單次糾纏嘗試所消耗的時(shí)間很長（約為百微秒量級）,。因此而導(dǎo)致的低實(shí)驗(yàn)重復(fù)率極大地限制了遠(yuǎn)距離糾纏的產(chǎn)生速率，所以目前全世界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的城際距離量子網(wǎng)絡(luò)最高的信道效率也小于0.01,。
圖1.多模復(fù)用的量子中繼架構(gòu),。通過依次激發(fā)70個(gè)獨(dú)立可尋址的空間陣列存儲(chǔ)器單元，產(chǎn)生280個(gè)時(shí)分（time-bin）光子模式,。光子模式通過波長轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為通訊波段,，在經(jīng)過12公里光纖傳輸后在探測器上被探測
濮云飛、段路明研究組通過對總共280個(gè)DLCZ量子存儲(chǔ)器模式（70個(gè)獨(dú)立可尋址的存儲(chǔ)單元和4個(gè)不同的角度模式）的時(shí)分復(fù)用,，將12公里的長光纖全部填滿,。在這種情況下，單次糾纏嘗試所需要的時(shí)間從120微秒降低到850納秒,，將實(shí)驗(yàn)重復(fù)率提高了140倍,，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程原子-光子量子糾纏的超快分發(fā)。信道效率達(dá)到目前世界最佳的0.46,。同時(shí)這也是城際量子網(wǎng)絡(luò)信道效率首次達(dá)到接近于1這個(gè)量級的里程碑,。未來如果通過單光子糾纏的方式連接兩個(gè)這種量子中繼節(jié)點(diǎn)，可以達(dá)到0.92的信道效率,，將有望達(dá)到城際量子網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展閾值,，使未來的多節(jié)點(diǎn)（>2）量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)成為可能。
圖2.基于二維存儲(chǔ)器陣列的實(shí)驗(yàn)裝置,，以及存儲(chǔ)器和頻率轉(zhuǎn)換裝置性能
圖3.實(shí)驗(yàn)協(xié)議,。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員采取了嚴(yán)格的預(yù)報(bào)式糾纏協(xié)議,，即存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的靜態(tài)量子比特必須經(jīng)過：（i）飛行量子比特（光子）在12公里光纖中傳輸并在探測器上被探測,，以及（2）探測信號(hào)經(jīng)過另一根12公里光纖返回存儲(chǔ)器這兩個(gè)過程（共計(jì)120微秒）之后,，才會(huì)被讀出。這個(gè)嚴(yán)格的協(xié)議是實(shí)用量子中繼和量子互聯(lián)網(wǎng)所必須的,，但是對存儲(chǔ)器的相干時(shí)間有很高的要求
濮云飛,、段路明研究組通過對光子收集信號(hào)返回時(shí)間的反饋，可以準(zhǔn)確定位出已產(chǎn)生糾纏的存儲(chǔ)器地址和角度模式,，并且可以在任意想要的時(shí)刻對已產(chǎn)生糾纏的存儲(chǔ)器模式進(jìn)行讀出操作,。這種按需讀取的能力也是未來量子中繼的必備功能，且因?yàn)殡y度較高,，此前的實(shí)驗(yàn)很少能夠?qū)崿F(xiàn),。
圖4.固定存儲(chǔ)時(shí)間讀取。信道效率達(dá)到0.46,，同時(shí)量子關(guān)聯(lián)性函數(shù)>2,，展示出光子-原子之間的量子關(guān)聯(lián)
圖5.按需（非固定存儲(chǔ)時(shí)間）讀取。信道效率0.31,。展示量子關(guān)聯(lián)函數(shù)>2,，展示光子-原子之間的量子關(guān)聯(lián)
相關(guān)研究成果以“通過復(fù)用增強(qiáng)，快速傳輸12公里光纖中宣布式原子-光子量子相關(guān)性”（Fast delivery of heralded atom-photon quantum correlation over 12km fiber through multiplexing enhancement）為題,，于11月27日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）,。
清華大學(xué)交叉信息院博士后張勝和2022級博士生石紀(jì)軒為論文共同第一作者，段路明院士和濮云飛助理教授為論文共同通訊作者,。其他作者還包括清華大學(xué)交叉信息院2021級本科生梁亦博,、2023級博士生孫躍東和助理教授吳宇愷。研究得到科技創(chuàng)新2030,、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃,、教育部、清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi),、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助與支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54691-3
供稿：交叉信息研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
