新型量子存儲器助力構建大規模實用化量子互聯網

6月2日國際學術期刊《自然》在線背靠背發表了量子存儲和中繼領域的兩份最新成果。兩篇文章分別來自中國和西班牙的研究團隊，報道了通過構建量子中繼實現空間分離節點間的量子糾纏，這對于發展高速、遠距、穩定的量子互聯網奠定了重要基礎。

過去幾十年間，信息技術的發展日新月異，光纖、衛星的加入使得信息在地球甚至是星際之間的傳播成為現實，同樣給科技、經濟都帶來了巨大影響。在遠距離傳輸過程中，中繼器作為可以復制、調整和增強信號的裝置在擴展網絡傳輸距離中扮演著重要角色。在構建量子互聯網的過程中，同樣需要量子存儲和中繼裝置發揮同樣的作用。然而在量子水平上遠距離穩定運行這樣的系統，需要量子糾纏同樣必須在遠距離上產生和長時間地保持，對于量子存儲器的要求也更高?；诹孔哟鎯ζ鞯牧孔又欣^研究已經在最近一段時間成為國內外相關領域的研究熱點。

來自中國研究團隊的文章題為Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories（兩個吸收型量子存儲器間的可預報量子糾纏分發），由中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組完成。

研究人員利用參量下轉換技術制備了兩套糾纏光源，同時開發了一種具有“三明治”結構的基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲器。每對糾纏光子中的一個光子存儲于量子存儲器中，另一個光子則被同時傳輸至中間站點進行貝爾態檢驗。這樣一種將糾纏光源和量子存儲器分離的架構，可以同時支持確定性光子發射和多模式復用存儲，對于實現量子中繼中的通信加速提供了可能。實驗中貝爾態檢驗的過程也是糾纏交換的過程，即盡管兩個量子存儲器間沒有任何直接相互作用，但是二者間依舊成功地建立起量子糾纏。

研究人員在實驗中使兩個相距3.5 m的量子存儲器以80.4%的保真度建立量子糾纏，并在中繼基本鏈路中實現了4個時間模式的并行復用，將糾纏分發速率提高了4倍。這一糾纏交換的過程實現了基于吸收型量子存儲器的量子中繼的構建，證實了多模式復用在量子中繼中的加速作用，并且成功“預報”了糾纏何時建立，這對于未來復雜量子中繼的快速傳輸甚至是大規模量子互聯網的構建都至關重要。

背靠背發表的另一篇論文，Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories（多模固態量子存儲器之間在電信頻率的預告糾纏），來自西班牙巴塞羅那光子科學研究所，他們選擇了與中科大團隊相似的實驗設置并獲得了相當的實驗結果。研究人員使用兩種可以產生波長為1436 nm（與光纖通信波長一致）和606 nm的光源，在兩個相距10 m的量子存儲器之間實現了量子糾纏，并且單光子在量子存儲器中可以保持長達25 μs。

雖然當前這些工作只是小范圍的驗證性研究，但是國內外的研究人員都已經瞄準了更大規模量子互聯網的實際應用。西班牙的研究人員表示，接下來他們將嘗試在巴塞羅那和卡斯特爾德費爾斯之間進行相距35公里的量子存儲器糾纏實驗。近日基于光纖的遠距離量子密鑰分發實驗的世界紀錄從509公里提高到600公里。未來如果希望將這一記錄推向更高目標，量子存儲和中繼將扮演*的重要角色。

量子糾纏系統在實驗中一般通過符合測量進行研究，受益于儀器的進步，高階、多重的符合測量也不再困難。類似的量子光學和量子信息實驗中都需要先進的單光子信號檢測和記錄裝置。目前以超導納米線單光子探測器為代表的新型探測器具有更短的上升時間和探測死時間，需要搭配性能更好的高速時間數字轉換器以實現單光子信號的記錄和處理。中科大團隊此次選用的是德國Swabian Instruments開發的基于現場可編程門陣列FPGA的時間數字轉換器Time Tagger，其*的流式數據處理架構、靈活的軟件程序和高速數據傳輸率非常適合于單光子信號的記錄和處理。Swabian Instruments最近發布的具有低于4 ps抖動的高分辨版本Time Tagger已經為未來量子光學領域更精密、更苛刻的實驗需要做好了準備。