中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事陳宇翱、徐飛虎等在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)全光量子中繼器的原理性驗(yàn)證，為構(gòu)建遠(yuǎn)距離光纖量子網(wǎng)絡(luò)開(kāi)辟了新途徑。該成果于近日在國(guó)際學(xué)術(shù)權(quán)威期刊《自然·光子學(xué)》上在線發(fā)表。
在遠(yuǎn)距離量子通信的過(guò)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，這極大地限制了量子通信的有效傳輸距離。如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信一直以來(lái)都是國(guó)際研究的熱點(diǎn)。目前主要有兩種解決方案。其一是在幾乎真空，量子信號(hào)損耗極小的外太空，利用衛(wèi)星擴(kuò)展量子通信距離；我國(guó)于2016年成功發(fā)射了國(guó)際首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，成功驗(yàn)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(zhǎng)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(hào)不再隨距離的增加而指數(shù)衰減，從而擴(kuò)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(jià)值，國(guó)際上關(guān)于量子中繼器研究的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。傳統(tǒng)量子中繼器需要基于糾纏交換、糾纏純化、量子存儲(chǔ)三個(gè)必不可少的技術(shù)。然而，目前的量子存儲(chǔ)性能有限，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子中繼器還需假以時(shí)日。全光量子中繼方案在理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需量子存儲(chǔ)的量子中繼器，為利用量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了另一種原則上可行的方案。
圖1：實(shí)驗(yàn)裝置圖
在該項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)原始的全光量子中繼方案進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)可行的方案。在該方案中，研究團(tuán)隊(duì)使用了光子GHZ態(tài)和后選擇貝爾測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)不同信道間光子對(duì)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，研究團(tuán)隊(duì)利用六個(gè)獨(dú)立的參量下轉(zhuǎn)換雙光子糾纏源，在實(shí)驗(yàn)上成功地搭建了一個(gè)基于十二光子的全光量子中繼器，測(cè)試了該量子中繼器的各方面性能，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了其相比于糾纏交換方案的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)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。
該項(xiàng)工作成功驗(yàn)證了全光量子中繼器的可行性，在原理上使得量子存儲(chǔ)器不再是搭建量子中繼器的必要條件，為實(shí)用化量子中繼器的研究開(kāi)辟了新途徑。
該工作得到科技部、國(guó)家基金委、中科院和安徽省等部門(mén)的資助。
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