突破，中科大郭光灿院士团队首次实现多模式量子中继

引中国科学技术大学[1]，该校郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组，首次实现多模式复用的量子中继基本链路，展现了多模式复用的量子通信加速效果，并实现了两个固态存储器的量子纠缠。

这为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。相关成果于6月2日23点发表于《自然》期刊上[2]。
 

图1｜实验室所用精密牛津仪器场景（来源：中国科大全媒体中心）

 

1. 全球量子通信网络梦

长期以来，得益于量子通信网络在安全方面的优势，产学界一直在努力构建梦想的安全网络——全球量子通信网络。

梦想虽好，但难题倍增。因为光子在光纤里的有限距离仅百公里级别，而随着传输距离增加，信号就会衰减。要做到全球自由互联，在这样的衰减下，千公里级别的量子通信成了“梦”。

因此，需要提供解决方案来将百公里级的传输“放大”至千公里甚至万公里级。这里就需要量子通信领域的关键核心技术——量子中继，以解决信号衰减的问题。
 

图2｜采用中继突破千公里级传输（来源：量子客）

 

2. 新老较量，四倍加速

量子存储器是量子中继的核心器件，用于储存光子纠缠态。在此之前，老式中继解决方案是通过“接力棒”式操作的发射型量子存储器。

李传峰教授对外介绍提到，发射型量子存储器面临着效率和精确率的问题，要么精确的单次传输一个量子态，但面临低效率问题；要么一次传输多个量子态，效率得到保证但精确率低。

而此次突破性的工作是在他们经过3年多一直致力于研究吸收型量子存储器的结果，是团队首次成功使用吸收型量子存储器，演示了多模式复用的量子中继基本链路。
 

图3｜基于吸收型存储器构建多模式量子中继的动画演示（来源：中国科大全媒体中心）

这种量子存储器可以一次捕获并存储4对纠缠量子态，等同于获得了四倍加速的纠缠分发速率。

当然，纠缠在使用过程中需考虑纠缠保真度，实验显示在节点间做中继时，两节点间的纠缠保真度超过80%。

在全球量子计算和量子网络发展进程中，这项研究对建设高速率、大尺度、远距离的量子通信网络提供了全新的解决方案，并为超光纤直接传输的实用化量子中继器打下基础。

实验人员将这次实验比喻为“鹊桥”，意味着即使“牛郎”和“织女”不见面，借助纠缠的量子中继，也可成功通信。

实验所用设备为熟悉的牛津仪器，在量子计算与量子通信高速发展的今天，仪器与实验都是发展中的重要一环。而每次实验的进展与突破，都是一项庞大且艰巨的研究工作中一个必经步骤，向梦想中的全球量子通信网络迈进。
 

图4｜实验人员与实验仪器（来源：中国科大全媒体中心）

 

参考链接：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/jPgQS4bdTX3BfXZfDKPKDQ

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3

 

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