近日，清華大學(xué)交叉信息研究院濮云飛和段路明研究組，在冷原子系統(tǒng)中實現(xiàn)了12公里光纖長度上多模式增強(qiáng)的預(yù)報式原子-光子糾纏。該工作創(chuàng)造了多項城際(>10公里)量子互聯(lián)網(wǎng)的世界紀(jì)錄，包括城際距離上的原子-光子糾纏產(chǎn)生速率達(dá)到1.95kHz，城際距離上原子-光子糾纏產(chǎn)生速率和量子存儲器退相干速率的比值達(dá)到0.46(信道效率)，糾纏效率通過多模復(fù)用的增強(qiáng)倍數(shù)達(dá)到140倍(280模式)。特別值得關(guān)注的是，當(dāng)未來使用兩個此種量子中繼節(jié)點來實現(xiàn)雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)時，信道效率可達(dá)到0.92，接近于信道效率大于1的擴(kuò)展閾值。
 

　　量子網(wǎng)絡(luò)和量子中繼是未來實現(xiàn)超大規(guī)模量子計算、洲際量子通訊、全球量子互聯(lián)網(wǎng)、超高精度量子精密測量的必經(jīng)之路。量子網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展的難點在于，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通過光子干涉產(chǎn)生預(yù)報式糾纏所消耗的時間必須小于量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相干時間(即“信道效率”大于1)，在這種情況下量子網(wǎng)絡(luò)才能通過糾纏交換的方法實現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展，以及有效利用多對(大于等于2)遠(yuǎn)距離量子糾纏。因此，信道效率大于1是量子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的條件。目前，信道效率大于1只能在實驗室規(guī)模(光纖長度約為10m)的量子網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)。對于城際規(guī)模(光纖長度大于10公里)的量子網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)致的低實驗重復(fù)率極大地限制了遠(yuǎn)距離糾纏的產(chǎn)生速率，所以目前全世界已經(jīng)實現(xiàn)的城際距離量子網(wǎng)絡(luò)最高的信道效率也小于0.01。
 

　　圖1.多模復(fù)用的量子中繼架構(gòu)。通過依次激發(fā)70個獨立可尋址的空間陣列存儲器單元，產(chǎn)生280個時分(time-bin)光子模式。光子模式通過波長轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為通訊波段，在經(jīng)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(fù)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(fù)率提高了140倍，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程原子-光子量子糾纏的超快分發(fā)。信道效率達(dá)到目前世界最佳的0.46。同時這也是城際量子網(wǎng)絡(luò)信道效率首次達(dá)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(jié)點，可以達(dá)到0.92的信道效率，將有望達(dá)到城際量子網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展閾值，使未來的多節(jié)點(>2)量子中繼和量子網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換裝置性能
 

　　圖3.實驗協(xié)議。在實驗中，研究人員采取了嚴(yán)格的預(yù)報式糾纏協(xié)議，即存儲器中存儲的靜態(tài)量子比特必須經(jīng)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(jīng)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(yán)格的協(xié)議是實用量子中繼和量子互聯(lián)網(wǎng)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(zhǔn)確定位出已產(chǎn)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(chǎn)生糾纏的存儲器模式進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)。
 

　　圖4.固定存儲時間讀取。信道效率達(dá)到0.46，同時量子關(guān)聯(lián)性函數(shù)>2，展示出光子-原子之間的量子關(guān)聯(lián)

 

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

 

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

　　清華大學(xué)交叉信息院博士后張勝和2022級博士生石紀(jì)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(xué)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(chuàng)新2030、清華大學(xué)自主科研計劃、教育部、清華大學(xué)篤實專項和啟動經(jīng)費、國家重點研發(fā)計劃的資助與支持。