科學家實現冷原子的多節點量子存儲網絡

作者 | 楊保國

近日，中國科學技術大學教授潘建偉、包小輝等在量子網絡研究方面取得重要進展，研究人員利用多光子干涉方法將分離的三個冷原子量子記憶體糾纏起來，為構建多節點、遠距離的量子網絡奠定了基礎。

相關成果1月21日發表於國際學術期刊《自然—光子學》，該論文被審稿人稱為“多節點量子網絡的里程碑”。

與經典網絡相對應，量子網絡指的是遠程量子處理器間的互聯互通。按照其發展程度可分為量子密鑰網絡、量子存儲網絡、量子計算網絡三個階段。

其中，量子存儲網絡是量子密鑰網絡的下一階段。在每個節點，量子態存儲在量子記憶體內，能夠在適當的時候按需讀出。

因此基於量子存儲網絡可以完成更為高級的量子資訊任務，如進行量子態隱形傳輸、分布式量子計算等。

目前，量子密鑰網絡已較為成熟，進入規模化應用階段，如我國已經建成的量子保密通信京滬乾線等。

在量子存儲網絡方向，當前的主要目標是拓展節點數目、增加節點間的距離，如荷蘭的代爾夫特理工大學擬搭建一個連接代爾夫特、阿姆斯特丹等城市的四節點量子網絡；美國的阿貢國家實驗室、費米實驗室與芝加哥大學也在謀劃類似的量子網絡。

構建量子存儲網絡的基本資源是光與原子間的量子糾纏。糾纏的亮度及品質直接決定了量子網絡的尺度與規模。

為提升糾纏亮度，潘建偉、包小輝研究團隊採用環形腔增強技術來增加單光子與原子系綜間耦合，進而大幅提升糾纏製備效率。

此外，為提升糾纏品質，該團隊採用高階模式鎖腔、自濾波等技術，有效抑製了雜散背景光子。

兩者相結合，在維持糾纏品質不變的情況下，糾纏源的亮度比以往雙節點實驗提升了一個數量級以上。

以高亮度光與原子糾纏為基礎，該研究組通過製備多對糾纏，並通過三光子干涉，成功將三個原子系綜量子記憶體糾纏起來。

實驗中，三個量子記憶體位於兩間獨立實驗室內，兩者由一條18米長的單模光纖相連。

研究人員表示，該研究將結合該團隊之前實現的相關存儲和糾纏技術，進一步拓展節點數目；採用量子頻率轉換技術將原子波長轉換至通信波段，也有望大幅拓展節點間的距離。

相關論文資訊：

《中國科學報》 (2019-01-29 第1版 要聞)

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