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新型量子存儲(chǔ)器助力構(gòu)建大規(guī)模實(shí)用化量子互聯(lián)網(wǎng)
6月2日國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線背靠背發(fā)表了量子存儲(chǔ)和中繼領(lǐng)域的兩份最新成果。兩篇文章分別來(lái)自中國(guó)和西班牙的研究團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了通過(guò)構(gòu)建量子中繼實(shí)現(xiàn)空間分離節(jié)點(diǎn)間的量子糾纏，這對(duì)于發(fā)展高速、遠(yuǎn)距、穩(wěn)定的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。
過(guò)去幾十年間，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，光纖、衛(wèi)星的加入使得信息在地球甚至是星際之間的傳播成為現(xiàn)實(shí)，同樣給科技、經(jīng)濟(jì)都帶來(lái)了巨大影響。在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中，中繼器作為可以復(fù)制、調(diào)整和增強(qiáng)信號(hào)的裝置在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)傳輸距離中扮演著重要角色。在構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中，同樣需要量子存儲(chǔ)和中繼裝置發(fā)揮同樣的作用。然而在量子水平上遠(yuǎn)距離穩(wěn)定運(yùn)行這樣的系統(tǒng)，需要量子糾纏同樣必須在遠(yuǎn)距離上產(chǎn)生和長(zhǎng)時(shí)間地保持，對(duì)于量子存儲(chǔ)器的要求也更高?；诹孔哟鎯?chǔ)器的量子中繼研究已經(jīng)在最近一段時(shí)間成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
來(lái)自中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的文章題為Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories（兩個(gè)吸收型量子存儲(chǔ)器間的可預(yù)報(bào)量子糾纏分發(fā)），由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組完成。
研究人員利用參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，同時(shí)開發(fā)了一種具有“三明治”結(jié)構(gòu)的基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)器。每對(duì)糾纏光子中的一個(gè)光子存儲(chǔ)于量子存儲(chǔ)器中，另一個(gè)光子則被同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)進(jìn)行貝爾態(tài)檢驗(yàn)。這樣一種將糾纏光源和量子存儲(chǔ)器分離的架構(gòu)，可以同時(shí)支持確定性光子發(fā)射和多模式復(fù)用存儲(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子中繼中的通信加速提供了可能。實(shí)驗(yàn)中貝爾態(tài)檢驗(yàn)的過(guò)程也是糾纏交換的過(guò)程，即盡管兩個(gè)量子存儲(chǔ)器間沒(méi)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(shí)驗(yàn)中使兩個(gè)相距3.5 m的量子存儲(chǔ)器以80.4%的保真度建立量子糾纏，并在中繼基本鏈路中實(shí)現(xiàn)了4個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，將糾纏分發(fā)速率提高了4倍。這一糾纏交換的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼的構(gòu)建，證實(shí)了多模式復(fù)用在量子中繼中的加速作用，并且成功“預(yù)報(bào)”了糾纏何時(shí)建立，這對(duì)于未來(lái)復(fù)雜量子中繼的快速傳輸甚至是大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建都至關(guān)重要。
背靠背發(fā)表的另一篇論文，Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories（多模固態(tài)量子存儲(chǔ)器之間在電信頻率的預(yù)告糾纏），來(lái)自西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所，他們選擇了與中科大團(tuán)隊(duì)相似的實(shí)驗(yàn)設(shè)置并獲得了相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。研究人員使用兩種可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為1436 nm（與光纖通信波長(zhǎng)一致）和606 nm的光源，在兩個(gè)相距10 m的量子存儲(chǔ)器之間實(shí)現(xiàn)了量子糾纏，并且單光子在量子存儲(chǔ)器中可以保持長(zhǎng)達(dá)25 μs。
雖然當(dāng)前這些工作只是小范圍的驗(yàn)證性研究，但是國(guó)內(nèi)外的研究人員都已經(jīng)瞄準(zhǔn)了更大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用。西班牙的研究人員表示，接下來(lái)他們將嘗試在巴塞羅那和卡斯特爾德費(fèi)爾斯之間進(jìn)行相距35公里的量子存儲(chǔ)器糾纏實(shí)驗(yàn)。近日基于光纖的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的世界紀(jì)錄從509公里提高到600公里。未來(lái)如果希望將這一記錄推向更高目標(biāo)，量子存儲(chǔ)和中繼將扮演*的重要角色。
量子糾纏系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中一般通過(guò)符合測(cè)量進(jìn)行研究，受益于儀器的進(jìn)步，高階、多重的符合測(cè)量也不再困難。類似的量子光學(xué)和量子信息實(shí)驗(yàn)中都需要先進(jìn)的單光子信號(hào)檢測(cè)和記錄裝置。目前以超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器為代表的新型探測(cè)器具有更短的上升時(shí)間和探測(cè)死時(shí)間，需要搭配性能更好的高速時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)單光子信號(hào)的記錄和處理。中科大團(tuán)隊(duì)此次選用的是德國(guó)Swabian Instruments開發(fā)的基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器Time Tagger，其*的流式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)、靈活的軟件程序和高速數(shù)據(jù)傳輸率非常適合于單光子信號(hào)的記錄和處理。Swabian Instruments最近發(fā)布的具有低于4 ps抖動(dòng)的高分辨版本Time Tagger已經(jīng)為未來(lái)量子光學(xué)領(lǐng)域更精密、更苛刻的實(shí)驗(yàn)需要做好了準(zhǔn)備。