近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗中實(shí)現了量子中繼協(xié)議中的兩個(gè)中繼模塊間的高效糾纏連接，成功展示了量子中繼模塊連接效率的規?；嵘?。

　　這被視為實(shí)現實(shí)用化的量子中繼器的一個(gè)關(guān)鍵步驟。

　　據了解，光子在光纖中傳播時(shí)的指數級衰減是長(cháng)程量子通訊和大規模量子網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題，而量子中繼協(xié)議是解決光纖傳播損耗的最佳方案。

　　2001 年，段路明與合作者提出著(zhù)名的 DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案，利用原子量子存儲器和單光子信道的結合，克服光量子信號在光纖中的指數衰減問(wèn)題，之后持續成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

　　經(jīng)過(guò)世界各國研究團隊近 20 年的努力，DLCZ 量子中繼協(xié)議的實(shí)驗實(shí)現在許多方面已經(jīng)取得了長(cháng)足的發(fā)展。

　　但是，作為量子中繼協(xié)議中關(guān)鍵的步驟，即如何將小規模的中繼模塊通過(guò)量子存儲器的存儲，與鄰近的中繼模塊高效的連接成為一個(gè)更大的中繼模塊從而擴大量子糾纏在空間中的分布，因為實(shí)驗技術(shù)方面存在的困難，一直尚未實(shí)現。

實(shí)驗系統示意圖

　　研究過(guò)程中，首先，研究人員通過(guò)將超低溫銣原子氣體囚禁在一維光晶格中，通過(guò)光學(xué)泵浦將原子制備在對磁場(chǎng)變化不敏感的鐘態(tài)，并且精確調控施加在原子所在位置的磁場(chǎng)，成功將冷原子量子中繼的相干時(shí)間提升至數十毫秒量級并能保證讀取的量子態(tài)具有很高的保真度;

　　其次，結合實(shí)時(shí)反饋的高速控制系統，通過(guò)將先產(chǎn)生量子糾纏的中繼模塊存儲至相鄰中繼模塊也產(chǎn)生量子糾纏之時(shí)，實(shí)現了相鄰兩個(gè)量子中繼模塊內部的量子糾纏的異步制備;最后，在兩個(gè)模塊之間通過(guò)糾纏交換，實(shí)現量子中繼模塊的高效糾纏連接。

　　通過(guò)這種方式進(jìn)行糾纏連接，連接效率線(xiàn)性正比于單個(gè)模塊內部糾纏制備所需要的時(shí)間，與之前研究中未使用量子存儲的同步制備兩個(gè)中繼模塊內部的量子糾纏所需要的二次方時(shí)間相比，改變了連接效率在規?；系膹碗s度;

　　同時(shí)，當單個(gè)量子中繼模塊內部糾纏制備概率為 0.1% 時(shí)，可以將兩個(gè)量子中繼模塊糾纏連接的效率提高 353 倍。

　　當未來(lái)量子中繼模塊從兩個(gè)擴展到N個(gè)時(shí)，這種效率提升對應了量子中繼器對直接傳輸量子通訊在量子糾纏分發(fā)效率上的指數級提升。

　　該實(shí)驗研究通過(guò)使用量子存儲，首次實(shí)現了不同量子中繼模塊的按需式糾纏連接，且連接效率得以規?；嵘?，展現了量子中繼器對長(cháng)程量子通信的核心加速能力。
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