量子網絡研究取得重要進展：中國科大首次實現全光量子中繼

中國科學技術大學教授潘建偉及其同事陳宇翱、徐飛虎等在國際上首次實驗實現全光量子中繼器的原理性驗證，為構建遠距離光纖量子網絡開辟了新途徑。該成果於近日在國際學術權威期刊《自然·光子學》上在線發表。

在遠距離量子通信的過程中，信道傳遞的量子態往往隨著通信距離的增加而指數減少，這極大地限制了量子通信的有效傳輸距離。如何實現遠距離量子通信一直以來都是國際研究的熱點。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，利用衛星擴展量子通信距離；我國於2016年成功發射了國際首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，成功驗證了這一方案的可行性。其二是在光纖網絡中使用量子中繼器，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衰減，從而擴展量子通信距離。

鑒於量子中繼器的重要科學和應用價值，國際上關於量子中繼器研究的競爭非常激烈。傳統量子中繼器需要基於糾纏交換、糾纏純化、量子存儲三個必不可少的技術。然而，目前的量子存儲性能有限，實現實用化量子中繼器還需假以時日。全光量子中繼方案在理論上可以實現無需量子存儲的量子中繼器，為利用量子中繼器實現遠距離光纖量子通信網絡提供了另一種原則上可行的方案。

圖1：實驗裝置圖

在該項工作中，研究團隊首先對原始的全光量子中繼方案進行改進，設計了實驗可行的方案。在該方案中，研究團隊使用了光子GHZ態和後選擇貝爾測量來實現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的分發成功概率。然後，研究團隊利用六個獨立的參量下轉換雙光子糾纏源，在實驗上成功地搭建了一個基於十二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，並在實驗上驗證了其相比於糾纏交換方案的優勢。實驗結果顯示，全光量子中繼器可以有效提升量子態的傳輸速率，從而拓展量子通信的傳輸距離。

該項工作成功驗證了全光量子中繼器的可行性，在原理上使得量子記憶體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。

該工作得到科技部、國家基金委、中科院和安徽省等部門的資助。