无线中继器

奥地利因斯布鲁克大学量子物理学研究团队已成功构建了一个用于电信网络标准波长的量子中继器节点，并将量子信息传输数十公里。这个功能齐全的网络节点是量子中继器的核心部分，由两个单一物质系统组成，能够以标准的光子产生纠缠电信网络的频率和纠缠交换操作。研究结果发表在新一期《物理评论快报》上。量子网络将量子处理器或量子传感器相互连接起来。在网络节点之间，量子信息由穿过光波导的光子交换。然而，在长距离上，光子丢失的可能性急剧增加。量子信息不能简单地被复制和放大，25年前，因斯布鲁克大学研究团队提供了量子中继器的蓝图。其拥有光物质纠缠源和存储器，以在独立的网络链路中产生纠缠，这些链路通过纠缠交换在它们之间连接，最终将纠缠分布在长距离上。新构建的中继器节点由光学谐振器内的离子阱中捕获的两个钙离子以及到电信波长的单光子转换组成。科学家们还展示了通过50公里长的光纤传输量子信息，而量子中继器恰好位于起点和终点之间的中间位置。研究人员还计算出这种设计的哪些改进是必要的，以使传输超过800公里成为可能，从而将因斯布鲁克和维也纳连接起来。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子存储和量子中继领域取得重大进展。该团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继。该成果6月2日23点在线发表在国际著名学术期刊《自然》上。图1 基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子存储器构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，从根本上限制了纠缠分发的速率。理论研究表明，基于吸收型量子存储器的量子中继架构可以解决这一问题。这一架构把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究，近十年不断提升固态量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求，包括使存储保真度达99.9%、模式数达100个、光存储寿命达1小时等。在本实验中，研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向，为实用化高速量子网络的构建打下基础。审稿人对该工作给予了高度评价：“The present work focuses on the ensemble approach, which has a number of advantages in the context of quantum repeater applications, multiplexing for instance（这个实验采用系综存储器，在量子中继应用中具有一系列的优势，比如多模式复用）”；“the demonstration is a very straight forward and clean demonstration of the quantum repeater elementary link… it is a significant accomplishment that will form the basis for further research（这个实验是对量子中继器基本链路的一个非常直接和清晰的演示，… … 这是一项重要的成就，将为接下来的研究奠定基础）”；“such is a major accomplishment towards realizing long-distance quantum networks on land（这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就）”。中科院量子信息重点实验室的博士后刘肖和博士研究生胡军为该论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3 图2 实验装置图（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）

记者从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在高维量子信息存储方面取得重要进展，该实验室史保森教授研究小组在国际上首次实现携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲在冷原子系综中的存储，迈出了基于高维量子中继器实现远距离大信息量量子信息传输的关键一步。该成果近日在线发表在《自然&mdash 通讯》上。 　　量子通信系统中作为载体的单光子所携带的信息量的大小与所处编码的空间维数有关。目前光子主要编码在一个二维空间，一个光子携带的信息量是一个比特。如果能将光子编码在一个高维空间，如无限维的轨道角动量空间，则单个光子所能携带的信息量将大幅度增加，极大地提高量子通信的效率，同时还可以提高量子密钥传输的安全性，并在量子力学的一些基本问题研究方面有非常重要的应用。 　　远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器，而量子存储单元是量子中继器的核心，实现光子携带信息在存储单元中的存储是实现中继功能的关键。虽然这方面的研究已取得重大进展，但迄今为止实验存储的单光子均为高斯脉冲，且被编码于二维空间，只能实现一个比特的存储。因此，能否实现编码于高维空间光子的量子存储是提高量子通信效率、构建基于高维中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键。 　　史保森教授和博士生丁冬生等一直致力于解决上述问题。最近，他们首次成功实现了携带轨道角动量、具有空间结构的单光子脉冲的存储，证明高维量子态的存储是完全可行的。该小组通过两个磁光阱制备了两个冷原子团，利用其中一个冷原子团制备标记单光子，并使该光子携带一定的轨道角动量，具有特殊的空间结构。然后利用原子与光的相互作用将它存储于另一个作为存储介质的冷原子团中，结果证明单光子携带的轨道角动量及其叠加态都可以被高保真地存储。