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我國科學(xué)家構(gòu)建國際首個基于糾纏的城域量子網(wǎng)絡(luò)

2024-05-16 07:22:56 來源：央視新聞客戶端 A+A-

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、包小輝、張強(qiáng)等科研人員首次采用單光子干涉在獨立存儲節(jié)點間建立糾纏，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了國際首個基于糾纏的城域三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)。

該工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由以往的幾十米整整提升了三個數(shù)量級至幾十公里，為后續(xù)開展盲量子計算、分布式量子計算、量子增強(qiáng)長基線干涉等量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于5月15日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

圖：實驗節(jié)點布局示意圖。其中Alice節(jié)點位于中國科大東區(qū)、Bob節(jié)點位于合肥創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園、Charlie節(jié)點位于安徽光機(jī)所。

通過量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸來構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)是大尺度量子信息處理的基本要素?；诹孔泳W(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)以及分布式量子計算和量子傳感，構(gòu)成未來“量子互聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，基于單光子傳輸?shù)牧孔用荑€網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成熟，而面向分布式量子計算、分布式量子傳感等進(jìn)一步量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要采用量子中繼技術(shù)在遠(yuǎn)距離量子存儲器間構(gòu)建量子糾纏，在此基礎(chǔ)上通過廣域量子隱形傳態(tài)將各個量子信息處理節(jié)點連接起來。

在量子隱形傳態(tài)方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊一直處于國際領(lǐng)先水平，先后實現(xiàn)了多終端、多體以及多自由度的量子隱形傳態(tài)，為實現(xiàn)量子信息在量子網(wǎng)絡(luò)中的傳輸途徑奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在量子存儲與量子中繼方面，研究團(tuán)隊長期開展了相關(guān)研究，在國際上率先實現(xiàn)了具有存儲功能的穩(wěn)定量子中繼節(jié)點；為提升存儲壽命、讀出效率、糾纏制備概率等關(guān)鍵指標(biāo)，團(tuán)隊發(fā)展了三維光晶格冷原子量子存儲等多項關(guān)鍵技術(shù)，不僅實現(xiàn)了綜合性能最優(yōu)的冷原子量子存儲器，還實現(xiàn)了確定性的光與原子糾纏制備。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊近年來在量子存儲網(wǎng)絡(luò)方向取得多項重要進(jìn)展。2019年，團(tuán)隊通過三光子干涉，實現(xiàn)了實驗室內(nèi)三個冷原子量子存儲器間的糾纏，成為首個可拓展距離的量子網(wǎng)絡(luò)原型。2020年，團(tuán)隊利用量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)將量子存儲的出射光子波長由795納米轉(zhuǎn)換至1342納米，并結(jié)合單光子鎖相技術(shù)，成功實現(xiàn)了在實驗室內(nèi)經(jīng)由50公里光纖連接的雙節(jié)點糾纏。

為在遠(yuǎn)距離分離的獨立量子存儲器間建立糾纏，主要挑戰(zhàn)在于如何控制單光子相位?；趩喂庾痈缮娴募m纏方案在糾纏速率方面有重大優(yōu)勢，然而實驗難度非常高。糾纏過程中量子存儲的控制激光、頻率轉(zhuǎn)換泵浦激光、長光纖信道等帶來的細(xì)微相位抖動都會導(dǎo)致最終生成糾纏的退相干。為解決這一難題，團(tuán)隊設(shè)計并發(fā)展了一套非常精巧的相位控制方案，采用相位控制技術(shù)，并利用量子頻率轉(zhuǎn)換，成功實現(xiàn)了相距十幾千米遠(yuǎn)的量子存儲器之間的糾纏。以此為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊構(gòu)建了國際上首個城域三節(jié)點量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以在任意兩個量子存儲器節(jié)點間建立糾纏。

該工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離由幾十米提升至幾十公里，為后續(xù)開展分布式量子計算、分布式量子傳感等量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該工作是國際首個城域多節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)實驗。

（總臺央視記者帥俊全褚爾嘉）

(責(zé)任編輯：王毅 CN096)