中國科大首次實現可擴展量子中繼器的光學演示

　　近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陳宇翱、趙博等在國際上首次利用參量下轉換光源，實現了基于線性光學的量子中繼器中的嵌套糾纏純化（nested purification）和二級糾纏交換（two-hierarchy entanglement swapping）過程。基于該技術，以往量子糾纏交換過程中阻礙分發態被進一步相干操作的主要噪聲可以被自動剔除，這為將來實現基于原子系綜的可擴展線性光量子中繼器提供了前瞻性的技術指引。這兩項重要成果分別發表在《自然-光子學》和《物理評論快報》上。

　　量子中繼器是地面實用化遠距離量子通信中必不可少的關鍵器件。受到通信鏈路衰減和噪聲等因素的影響，直接進行量子通信的節點距離存在極限。為了突破這一極限，可以利用量子中繼器連接多個通信節點，從而實現遠距離的量子通信。自1998年量子中繼器的概念被提出后，科學家們一直努力搭建實用化量子中繼器。為了擴展通信距離，連續的糾纏操縱是完整實現量子中繼器的基本需求。這可以通過糾纏交換和糾纏純化實現。其中糾纏交換用于提升量子態傳輸距離，糾纏純化用于抵抗量子態傳輸過程中的退相干效應。

　　初步的量子糾纏交換和糾纏純化已在線性光學系統中演示，但以往工作尚未具備可擴展性，即獲得的分發態不能直接用于后續的糾纏操縱。這是由于參量下轉化糾纏源產生光子對是概率性的，在下轉換過程中由于存在雙光子噪聲項，進行單次糾纏交換時，量子分發態本質上是50%糾纏態和50%無用態的混態。以往，科學家只能使用后選擇從混態中提取所需糾纏態，但后選擇具有破壞性，它使得分發后的量子態被測量坍縮，因而該分發態無法再被用于下一步的糾纏操縱。因此，科學家必須尋求一種非破壞的方法剔除掉這噪聲項，而嵌套糾纏純化和級聯糾纏交換則能夠解決這一問題。

　　潘建偉團隊致力于量子中繼器的實用化研究，特別是在多光子糾纏制備和操縱方面一直處于世界領先地位。多光子組掌握的八光子及十光子操控技術，為在參量下轉換系統中實現光量子中繼器的原理性演示提供了硬件支持；2008年，科研團隊搭建的兼顧糾纏交換和量子存儲的量子中繼器節點，為未來實現基于原子系綜系統的量子中繼器打下堅實基礎。2016年，該團隊采用冷原子系綜，研制出百毫秒級高效量子存儲器，實現了存儲壽命達到0.22秒、讀出效率達到76%的高性能量子存儲器，第一次將存儲壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠距離量子中繼的實際需求。此次研究工作則基于八體糾纏光源，首次演示了嵌套量子糾纏純化和級聯量子糾纏交換。通過巧妙地設置貝爾態測量裝置，不僅能完全消除糾纏交換過程中雙光子干擾項、同時保留分發量子態進一步可操縱性。結合使用光纖模擬量子存儲以及測量反饋裝置，實現了可擴展量子中繼器的光學演示。這一開創性的工作使基于參量下轉換光源構建量子中繼器的可行性獲得了進一步驗證。尤其是原子系綜系統中的原子－光子糾纏源存在和參量下轉換糾纏源同樣的雙光子噪聲項，該技術也可直接應用于基于原子系綜的量子中繼器。

　　這兩項工作均在國際上逾越了以往只能演示量子中繼器中單次糾纏操縱的技術障礙，首次實現了對量子態的連續糾纏操控，基于線性光學系統發展了可擴展量子中繼器技術，擊碎了實用光量子中繼器發展道路上的一道堅實壁壘。研究成果表明，參量下轉換源原則上完全有能力成為實用光量子中繼器的另一可信系統。同時，這兩項工作將大力推動基于原子系綜量子中繼器的可擴展性技術研究。

　　研究工作得到了科技部、自然科學基金委、教育部、中科院等的資助。

左圖：嵌套量子糾纏純化示意圖。右圖：二級量子糾纏交換示意圖。