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      中國科大等實現相距50公里光纖的存儲器間的量子糾纏

      儀表研發 2020年02月13日 16:40:45 來源:儀表網人氣:24508
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        【儀表網 儀表研發】中國科學技術大學潘建偉、包小輝、張強等與濟南量子技術研究院和中國科學院上海微系統與信息技術研究所合作,在量子中繼與量子網絡方向取得突破。他們通過發展高亮度光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻率轉換技術和遠程單光子精密干涉技術,成功地將相距50公里光纖的兩個量子存儲器糾纏起來,為構建基于量子中繼的量子網絡奠定了基礎。該成果于近日發表在國際學術期刊《自然》上。
       
        構建全球化量子網絡并在此基礎上實現量子通信是量子信息研究的目標之一,國際學術界廣泛采用的量子通信網絡發展路線是通過基于衛星的自由空間信道來實現廣域大尺度覆蓋,通過光纖網絡來實現城域及城際的地面覆蓋。然而受限于光信號在光纖內的指數衰減,最遠的點對點地面安全通信距離僅為百公里量級。將遠距離點對點傳輸改為分段傳輸,并采用量子中繼技術進行級聯,有望進一步大幅拓展安全通信距離,并使得構建全量子網絡成為可能。
       
        量子網絡是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息,運行的是量子算法時,它就是量子網絡。量子網絡的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。
       
        量子通信融合了現代物理學和光通信技術研究的成果,由物理學基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性。量子密鑰分發根據所利用量子狀態特性的不同,可以分為基于測量和基于糾纏態兩種?;诩m纏態的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應,即兩個經過耦合的微觀粒子,在一個粒子狀態發生變化時,另一個會立刻發生相應的變化。
       
        然而,受限于光與原子糾纏亮度低、原子存儲器波長與通信光纖不匹配和遠程單光子干涉等技術瓶頸,此前最遠光纖量子中繼僅為公里量級。針對上述技術難題,團隊主要在三方面開展了技術攻關:首先,采用環形腔增強技術來提升單光子與原子系綜間耦合,并優化光路傳輸效率,將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個數量級;其次,由于原子存儲器對應的光波長在光纖中的損耗約為3.5dB/km,在50公里光纖中光信號將衰減至十億億分之一(10^-17.5),使得量子通信無法實現,團隊自主研發周期極化鈮酸鋰波導,通過非線性差頻過程,將存儲器的光波長由近紅外(795 nm)轉換至通信波段(1342 nm),經過50公里的光纖僅衰減至百分之一以上,效率相比之前提升了16個數量級;最后,為實現遠程單光子干涉,團隊設計并實施了雙重相位鎖定方案,成功地把經過50公里光纖的傳輸后引起的光程差控制在50nm左右。
       
        遠程量子糾纏是實現長程量子通信、分布式量子計算及量子精密計量等的核心資源。但由于光子在光纖中隨距離呈指數損耗,量子糾纏分配的距離被限制在百公里量級。受限于光源、存儲器及探測器的效率等因素,量子網絡預期傳輸速率非常低。提升傳輸速率的重要手段有兩種,即對量子態進行高維編碼,或者使用多模式量子存儲器,但研究進展并不如意。
       
        在前期研究的基礎上,李傳鋒等人利用光的軌道角動量進行編碼,首次研制出窄帶高維糾纏光源,然后將此糾纏源存入固態量子存儲器中,結果顯示三維糾纏態的存儲保真度達到99.1%。
       
        研究團隊將以上技術相結合,最終實現了經由50公里光纖傳輸的雙節點糾纏,并演示了經由22公里外場光纖的雙節點糾纏。該工作得到《自然》審稿人的高度評價:“該結果是非常杰出的,向實現量子中繼方向邁出了重要一步”。當前實驗中兩臺量子存儲器位于同一間實驗室內,團隊接下來將通過發展獨立激光的相位同步等技術來實現真正遠距離分開的雙節點實驗。上述工作與該團隊之前實現的多節點糾纏技術(Nature Photonics, 13, 210, 2019)、基于里德堡的確定性糾纏技術(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019),以及百毫秒存儲技術(Nature Photonics. 10, 381, 2016)等相結合,有望推動量子中繼和全量子網絡的實驗研究。
       
        資料來源:中國科學技術大學、百科
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