清華大學研究人員實現多模增強的12公里量子中繼節點接近城際量子網絡擴展閾值

　　【儀表網 研發快訊】近日，清華大學交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組，在冷原子系統中實現了12公里光纖長度上多模式增強的預報式原子-光子糾纏。該工作創造了多項城際(>10公里)量子互聯網的世界紀錄，包括城際距離上的原子-光子糾纏產生速率達到1.95kHz，城際距離上原子-光子糾纏產生速率和量子存儲器退相干速率的比值達到0.46(信道效率)，糾纏效率通過多模復用的增強倍數達到140倍(280模式)。特別值得關注的是，當未來使用兩個此種量子中繼節點來實現雙節點網絡時，信道效率可達到0.92，接近于信道效率大于1的擴展閾值。
 

　　量子網絡和量子中繼是未來實現超大規模量子計算、洲際量子通訊、全球量子互聯網、超高精度量子精密測量的必經之路。量子網絡規模擴展的難點在于，網絡節點之間通過光子干涉產生預報式糾纏所消耗的時間必須小于量子網絡節點的相干時間(即“信道效率”大于1)，在這種情況下量子網絡才能通過糾纏交換的方法實現規模擴展，以及有效利用多對(大于等于2)遠距離量子糾纏。因此，信道效率大于1是量子網絡擴展的條件。目前，信道效率大于1只能在實驗室規模(光纖長度約為10m)的量子網絡上實現。對于城際規模(光纖長度大于10公里)的量子網絡，由于光在光纖中的傳播時間限制，單次糾纏嘗試所消耗的時間很長(約為百微秒量級)。因此而導致的低實驗重復率極大地限制了遠距離糾纏的產生速率，所以目前全世界已經實現的城際距離量子網絡最高的信道效率也小于0.01。
 

　　圖1.多模復用的量子中繼架構。通過依次激發70個獨立可尋址的空間陣列存儲器單元，產生280個時分(time-bin)光子模式。光子模式通過波長轉換裝置轉換為通訊波段，在經過12公里光纖傳輸后在探測器上被探測

 

　　濮云飛、段路明研究組通過對總共280個DLCZ量子存儲器模式(70個獨立可尋址的存儲單元和4個不同的角度模式)的時分復用，將12公里的長光纖全部填滿。在這種情況下，單次糾纏嘗試所需要的時間從120微秒降低到850納秒，將實驗重復率提高了140倍，從而實現遠程原子-光子量子糾纏的超快分發。信道效率達到目前世界最佳的0.46。同時這也是城際量子網絡信道效率首次達到接近于1這個量級的里程碑。未來如果通過單光子糾纏的方式連接兩個這種量子中繼節點，可以達到0.92的信道效率，將有望達到城際量子網絡的擴展閾值，使未來的多節點(>2)量子中繼和量子網絡成為可能。
 

圖2.基于二維存儲器陣列的實驗裝置，以及存儲器和頻率轉換裝置性能
 

　　圖3.實驗協議。在實驗中，研究人員采取了嚴格的預報式糾纏協議，即存儲器中存儲的靜態量子比特必須經過：(i)飛行量子比特(光子)在12公里光纖中傳輸并在探測器上被探測，以及(2)探測信號經過另一根12公里光纖返回存儲器這兩個過程(共計120微秒)之后，才會被讀出。這個嚴格的協議是實用量子中繼和量子互聯網所必須的，但是對存儲器的相干時間有很高的要求

 

　　濮云飛、段路明研究組通過對光子收集信號返回時間的反饋，可以準確定位出已產生糾纏的存儲器地址和角度模式，并且可以在任意想要的時刻對已產生糾纏的存儲器模式進行讀出操作。這種按需讀取的能力也是未來量子中繼的必備功能，且因為難度較高，此前的實驗很少能夠實現。
 

　　圖4.固定存儲時間讀取。信道效率達到0.46，同時量子關聯性函數>2，展示出光子-原子之間的量子關聯

 

　　圖5.按需(非固定存儲時間)讀取。信道效率0.31。展示量子關聯函數>2，展示光子-原子之間的量子關聯

 

　　相關研究成果以“通過復用增強，快速傳輸12公里光纖中宣布式原子-光子量子相關性”(Fast delivery of heralded atom-photon quantum correlation over 12km fiber through multiplexing enhancement)為題，于11月27日發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　清華大學交叉信息院博士后張勝和2022級博士生石紀軒為論文共同第一作者，段路明院士和濮云飛助理教授為論文共同通訊作者。其他作者還包括清華大學交叉信息院2021級本科生梁亦博、2023級博士生孫躍東和助理教授吳宇愷。研究得到科技創新2030、清華大學自主科研計劃、教育部、清華大學篤實專項和啟動經費、國家重點研發計劃的資助與支持。