清華新聞網(wǎng)12月26日電 量子糾纏分配是量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的重要技術(shù)。通過(guò)在多個(gè)用戶間端到端的分配量子糾纏資源，量子網(wǎng)絡(luò)支持多種量子信息應(yīng)用的一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，如量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)、分布式量子計(jì)算以及分布式量子傳感等。將波分復(fù)用（WDM）引入量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)可充分利用寬帶量子光源產(chǎn)生的糾纏資源。然而，由于光通信波段波長(zhǎng)信道有限，完全基于WDM的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)受限。通過(guò)使用被動(dòng)分束器引入空分復(fù)用可大大提升網(wǎng)絡(luò)用戶規(guī)模，但需要在網(wǎng)絡(luò)性能方面做出一定妥協(xié)。此外，路由調(diào)控和拓?fù)渲貥?gòu)也是網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中需要具備功能。如何構(gòu)建大規(guī)模、可重構(gòu)和高性能的量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)仍是亟待解決的難題。
近日，清華大學(xué)電子工程系張巍教授在量子糾纏分配網(wǎng)絡(luò)方面取得重要進(jìn)展，提出了一種基于硅光集成四波混頻量子光源的可重構(gòu)的量子糾纏分配網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)引入泵浦管理機(jī)制，將N用戶網(wǎng)絡(luò)需要的波長(zhǎng)通道數(shù)量降低到O（N）（傳統(tǒng)WDM量子糾纏分配網(wǎng)絡(luò)為O（N2）），同時(shí)具備很強(qiáng)的拓?fù)渲貥?gòu)能力，并始終保持每對(duì)用戶線路獨(dú)立使用一份糾纏資源。這些特點(diǎn)使得該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼顧可擴(kuò)展性、可重構(gòu)性和高性能。
圖1.實(shí)現(xiàn)量子糾纏分配網(wǎng)絡(luò)的四波混頻量子光源泵浦管理機(jī)制
該網(wǎng)絡(luò)方案靈活運(yùn)用了硅波導(dǎo)通過(guò)自發(fā)四波混頻產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的物理過(guò)程。當(dāng)多個(gè)泵浦光注入到硅波導(dǎo)，會(huì)同時(shí)激發(fā)多個(gè)簡(jiǎn)并泵浦和非簡(jiǎn)并泵浦的自發(fā)四波混頻過(guò)程，產(chǎn)生的光子對(duì)在頻譜上具有復(fù)雜的頻率關(guān)聯(lián)特性。將不同頻率的光子分配給網(wǎng)絡(luò)用戶，可在用戶間自然形成特定的量子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹．?dāng)泵浦光頻率發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟搽S之改變。這種機(jī)制被稱為“泵浦管理”。
實(shí)驗(yàn)上，硅波導(dǎo)量子光源產(chǎn)生光子的復(fù)雜頻率關(guān)聯(lián)特性通過(guò)聯(lián)合譜密度測(cè)量得到充分論證。網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的光子通過(guò)光纖分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)用戶，光子間的時(shí)間-能量糾纏特性通過(guò)Franson-type量子干涉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了論證該網(wǎng)絡(luò)方案在應(yīng)用上的潛力，這項(xiàng)工作還通過(guò)三波長(zhǎng)泵浦光的泵浦管理演示了一個(gè)10用戶全連接的糾纏基QKD網(wǎng)絡(luò)。
圖2.10用戶全連接糾纏基QKD網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果
相關(guān)研究成果以“基于四波混頻量子光源泵浦管理的可重構(gòu)量子糾纏分配網(wǎng)絡(luò)”（Reconfigurable entanglement distribution network based on pump management of spontaneous four-wave mixing source）為題，于12月13日在線發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。
清華大學(xué)電子工程系2020級(jí)博士生劉靜遠(yuǎn)為論文第一作者，電子工程系教授張巍、黃翊東為論文通訊作者。研究得到北京量子信息科學(xué)研究院以及國(guó)家自然科學(xué)基金和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado9822
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
