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中國科大等實現相距50公裏光纖的存儲器間的量子糾纏

2020-02-13 中國科學技術大學
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  中國科學技術大學潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中國科學院上海微系统与信息技术研究所合作,在量子中继与量子网络方向取得突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术,成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来,为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。该成果于近日发表在国际学术期刊《自然》上。

  構建全球化量子網絡並在此基礎上實現量子通信是量子信息研究的終極目標之一,國際學術界廣泛采用的量子通信網絡發展路線是通過基于衛星的自由空間信道來實現廣域大尺度覆蓋,通過光纖網絡來實現城域及城際的地面覆蓋。然而受限于光信號在光纖內的指數衰減,最遠的點對點地面安全通信距離僅爲百公裏量級。將遠距離點對點傳輸改爲分段傳輸,並采用量子中繼技術進行級聯,有望進一步大幅拓展安全通信距離,並使得構建全量子網絡成爲可能。

  然而,受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配和远程单光子干涉等技术瓶颈,此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题,团队主要在三方面开展了技术攻关:首先,采用环形腔增强技术来提升单光子与原子系综间耦合,并优化光路传输效率,将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级;其次,由于原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为3.5dB/km,在50公里光纤中光信号将衰减至十亿亿分之一(10^-17.5),使得量子通信无法实现,团队自主研发周期极化铌酸锂波导,通过非线性差频过程,将存储器的光波长由近红外(795 nm)转换至通信波段(1342 nm),经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上,效率相比之前提升了16个数量级;最后,为实现远程单光子干涉,团队设计并实施了双重相位锁定方案,成功地把经过50公里光纤的传输后引起的光程差控制在50nm左右。

  研究團隊將以上技術相結合,最終實現了經由50公裏光纖傳輸的雙節點糾纏,並演示了經由22公裏外場光纖的雙節點糾纏。該工作得到《自然》審稿人的高度評價:“該結果是非常傑出的,向實現量子中繼方向邁出了重要一步”。當前實驗中兩台量子存儲器位于同一間實驗室內,團隊接下來將通過發展獨立激光的相位同步等技術來實現真正遠距離分開的雙節點實驗。上述工作與該團隊之前實現的多節點糾纏技術(Nature Photonics, 13, 210, 2019)、基于里德堡的确定性纠缠技术(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019),以及百毫秒存储技术(Nature Photonics. 10, 381, 2016)等相结合,有望推动量子中继和全量子网络的实验研究。

  該工作得到科技部、自然科學基金委、中科院和安徽省等的資助。

  論文链接

實驗方案示意圖

打印 責任編輯:葉瑞優

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