我國科學(xué)家率先實現(xiàn)全光量子中繼

吳長鋒

筆者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉院士及其同事陳宇翱、徐飛虎等，在國際上首次實驗實現(xiàn)全光量子中繼器的原理性驗證，為構(gòu)建遠距離光纖量子網(wǎng)絡(luò)開辟了新途徑。該成果于日前在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》上。

遠距離量子通信過程中，信道傳遞的量子態(tài)往往隨著通信距離的增加而指數(shù)減少，極大地限制了量子通信的有效傳輸距離。目前主要有兩種解決方案：其一是在幾乎真空，量子信號損耗極小的外太空，利用衛(wèi)星擴展量子通信距離，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功驗證了這一方案的可行性。其二是在光纖網(wǎng)絡(luò)中使用量子中繼器，將一段長距離光纖信道分割成多段距離比較短的信道，使得量子信號不再隨距離的增加而指數(shù)衰減，從而擴展量子通信距離。

鑒于量子中繼器的重要科學(xué)和應(yīng)用價值，國際上關(guān)于量子中繼器研究的競爭非常激烈。然而，目前的量子存儲性能有限，實現(xiàn)實用化量子中繼器還需假以時日。

研究團隊首先對原始的全光量子中繼方案進行改進，使用了光子GHZ態(tài)和后選擇貝爾測量來實現(xiàn)不同信道間光子對的任意連接，從而有效地提升量子信道中糾纏態(tài)的分發(fā)成功概率。然后，再利用6個獨立的參量下轉(zhuǎn)換雙光子糾纏源，在實驗上成功地搭建了一個基于12光子的全光量子中繼器，測試了該量子中繼器的各方面性能，并在實驗上驗證了其相比于糾纏交換方案的優(yōu)勢。實驗結(jié)果顯示，全光量子中繼器可以有效提升量子態(tài)的傳輸速率，從而拓展量子通信的傳輸距離。

該成果成功驗證了全光量子中繼器的可行性，在原理上使得量子存儲器不再是搭建量子中繼器的必要條件，為實用化量子中繼器的研究開辟了新途徑。