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中科大达成全光量子中继器 为远距离量子通信奠

2019-10-22 07:03

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等在国际上首次实验实现全光量子中继器的原理性验证,为构建远距离光纤量子网络开辟了新途径。该成果于近日在国际学术期刊《自然-光子学》上在线发表。 在远距离量子通信的过程中,信道传递的量子态往往随着通信距离的增加而指数减少,这极大地限制了量子通信的有效传输距离。如何实现远距离量子通信一直以来都是国际研究的热点。目前主要有两种解决方案。其一是在几乎真空、量子信号损耗极小的外太空,利用卫星扩展量子通信距离;我国于2016年成功发射了国际首颗量子科学实验卫星“墨子号”,成功验证了这一方案的可行性。其二是在光纤网络中使用量子中继器,将一段长距离光纤信道分割成多段距离比较短的信道,使得量子信号不再随距离的增加而指数衰减,从而扩展量子通信距离。 鉴于量子中继器的重要科学和应用价值,国际上关于量子中继器研究的竞争非常激烈。传统量子中继器需要基于纠缠交换、纠缠纯化、量子存储三个必不可少的技术。然而,目前的量子存储性能有限,实现实用化量子中继器还需较长时间。全光量子中继方案在理论上可以实现无需量子存储的量子中继器,为利用量子中继器实现远距离光纤量子通信网络提供了另一种原则上可行的方案。 在该项工作中,研究团队首先对原始的全光量子中继方案进行改进,设计了实验可行的方案。在该方案中,研究团队使用了光子GHZ态和后选择贝尔测量来实现不同信道间光子对的任意连接,从而有效地提升量子信道中纠缠态的分发成功概率。然后,研究团队利用六个独立的参量下转换双光子纠缠源,在实验上成功地搭建了一个基于十二光子的全光量子中继器,测试了该量子中继器的各方面性能,并在实验上验证了其相比于纠缠交换方案的优势。实验结果显示,全光量子中继器可以有效提升量子态的传输速率,从而拓展量子通信的传输距离。 该项工作成功验证了全光量子中继器的可行性,在原理上使得量子存储器不再是搭建量子中继器的必要条件,为实用化量子中继器的研究开辟了新途径。 该工作得到科技部、国家基金委、中科院和安徽省等的资助。 延伸阅读: 量子中继器,量子通信系统使用纠缠光子对为信号源,而量子中继器通过纠缠制备、纠缠分发、纠缠纯化和纠缠交换来实现中继功能的转换器。 量子信号的传输距离由中继级数决定。使用这种中继器的量子通信系统可以用于长距离量子通信。 量子中继应该具有两个方面的功能: 1、通过补充量子信号的能量实现量子信号的稳定传输; 2、在补充量子信号能量的同时,,保证量子信号携带的量子比特不发生改变。

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、赵博等在国际上首次利用参量下转换光源,实现了基于线性光学的量子中继器中的嵌套纠缠纯化(nestedpurification)和二级纠缠交换(two-hierarchyentanglementswapping)过程。基于该技术,以往量子纠缠交换过程中阻碍分发态被进一步相干操作的主要噪声可以被自动剔除,这为将来实现基于原子系综的可扩展线性光量子中继器提供了前瞻性的技术指引。这两项重要成果分别发表在《自然-光子学》和《物理评论快报》上。 量子中继器是地面实用化远距离量子通信中必不可少的关键器件。受到通信链路衰减和噪声等因素的影响,直接进行量子通信的节点距离存在极限。为了突破这一极限,可以利用量子中继器连接多个通信节点,从而实现远距离的量子通信。自1998年量子中继器的概念被提出后,科学家们一直努力搭建实用化量子中继器。为了扩展通信距离,连续的纠缠操纵是完整实现量子中继器的基本需求。这可以通过纠缠交换和纠缠纯化实现。其中纠缠交换用于提升量子态传输距离,纠缠纯化用于抵抗量子态传输过程中的退相干效应。 初步的量子纠缠交换和纠缠纯化已在线性光学系统中演示,但以往工作尚未具备可扩展性,即获得的分发态不能直接用于后续的纠缠操纵。这是由于参量下转化纠缠源产生光子对是概率性的,在下转换过程中由于存在双光子噪声项,进行单次纠缠交换时,量子分发态本质上是50%纠缠态和50%无用态的混态。以往,科学家只能使用后选择从混态中提取所需纠缠态,但后选择具有破坏性,它使得分发后的量子态被测量坍缩,因而该分发态无法再被用于下一步的纠缠操纵。因此,科学家必须寻求一种非破坏的方法剔除掉这噪声项,而嵌套纠缠纯化和级联纠缠交换则能够解决这一问题。 潘建伟团队致力于量子中继器的实用化研究,特别是在多光子纠缠制备和操纵方面一直处于世界领先地位。多光子组掌握的八光子及十光子操控技术,为在参量下转换系统中实现光量子中继器的原理性演示提供了硬件支持;2008年,科研团队搭建的兼顾纠缠交换和量子存储的量子中继器节点,为未来实现基于原子系综系统的量子中继器打下坚实基础。2016年,该团队采用冷原子系综,研制出百毫秒级高效量子存储器,实现了存储寿命达到0.22秒、读出效率达到76%的高性能量子存储器,第一次将存储寿命及读出效率提升到能够满足远距离量子中继的实际需求。此次研究工作则基于八体纠缠光源,首次演示了嵌套量子纠缠纯化和级联量子纠缠交换。通过巧妙地设置贝尔态测量装置,不仅能完全消除纠缠交换过程中双光子干扰项、同时保留分发量子态进一步可操纵性。结合使用光纤模拟量子存储以及测量反馈装置,实现了可扩展量子中继器的光学演示。这一开创性的工作使基于参量下转换光源构建量子中继器的可行性获得了进一步验证。尤其是原子系综系统中的原子-光子纠缠源存在和参量下转换纠缠源同样的双光子噪声项,该技术也可直接应用于基于原子系综的量子中继器。 这两项工作均在国际上逾越了以往只能演示量子中继器中单次纠缠操纵的技术障碍,首次实现了对量子态的连续纠缠操控,基于线性光学系统发展了可扩展量子中继器技术,击碎了实用光量子中继器发展道路上的一道坚实壁垒。研究成果表明,参量下转换源原则上完全有能力成为实用光量子中继器的另一可信系统。同时,这两项工作将大力推动基于原子系综量子中继器的可扩展性技术研究。 研究工作得到了科技部、自然科学基金委、教育部、中科院等的资助。 论文链接

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