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我國科學家構建國際首個基于糾纏的城域量子網(wǎng)絡

2024-05-16 07:22:56 來源：央視新聞客戶端 A+A-

近日，中國科學技術大學潘建偉,、包小輝,、張強等科研人員首次采用單光子干涉在獨立存儲節(jié)點間建立糾纏,，并以此為基礎構建了國際首個基于糾纏的城域三節(jié)點量子網(wǎng)絡,。

該工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡的距離由以往的幾十米整整提升了三個數(shù)量級至幾十公里，為后續(xù)開展盲量子計算,、分布式量子計算,、量子增強長基線干涉等量子網(wǎng)絡應用奠定了科學與技術基礎。相關研究成果于5月15日在線發(fā)表在國際學術期刊《自然》雜志上,。

圖：實驗節(jié)點布局示意圖,。其中Alice節(jié)點位于中國科大東區(qū)、Bob節(jié)點位于合肥創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園,、Charlie節(jié)點位于安徽光機所,。

通過量子態(tài)的遠程傳輸來構建量子網(wǎng)絡是大尺度量子信息處理的基本要素?；诹孔泳W(wǎng)絡,，可以實現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)以及分布式量子計算和量子傳感，構成未來“量子互聯(lián)網(wǎng)”的技術基礎,。目前,，基于單光子傳輸?shù)牧孔用荑€網(wǎng)絡已發(fā)展成熟，而面向分布式量子計算,、分布式量子傳感等進一步量子網(wǎng)絡應用,，需要采用量子中繼技術在遠距離量子存儲器間構建量子糾纏，在此基礎上通過廣域量子隱形傳態(tài)將各個量子信息處理節(jié)點連接起來,。

在量子隱形傳態(tài)方面,，中國科學技術大學潘建偉研究團隊一直處于國際領先水平，先后實現(xiàn)了多終端,、多體以及多自由度的量子隱形傳態(tài),，為實現(xiàn)量子信息在量子網(wǎng)絡中的傳輸途徑奠定了技術基礎。在量子存儲與量子中繼方面,，研究團隊長期開展了相關研究,，在國際上率先實現(xiàn)了具有存儲功能的穩(wěn)定量子中繼節(jié)點；為提升存儲壽命,、讀出效率,、糾纏制備概率等關鍵指標，團隊發(fā)展了三維光晶格冷原子量子存儲等多項關鍵技術,，不僅實現(xiàn)了綜合性能最優(yōu)的冷原子量子存儲器,，還實現(xiàn)了確定性的光與原子糾纏制備。

在此基礎上,，研究團隊近年來在量子存儲網(wǎng)絡方向取得多項重要進展,。2019年,，團隊通過三光子干涉，實現(xiàn)了實驗室內三個冷原子量子存儲器間的糾纏,，成為首個可拓展距離的量子網(wǎng)絡原型,。2020年，團隊利用量子頻率轉換技術將量子存儲的出射光子波長由795納米轉換至1342納米,，并結合單光子鎖相技術,，成功實現(xiàn)了在實驗室內經(jīng)由50公里光纖連接的雙節(jié)點糾纏。

為在遠距離分離的獨立量子存儲器間建立糾纏,，主要挑戰(zhàn)在于如何控制單光子相位,。基于單光子干涉的糾纏方案在糾纏速率方面有重大優(yōu)勢,，然而實驗難度非常高,。糾纏過程中量子存儲的控制激光、頻率轉換泵浦激光,、長光纖信道等帶來的細微相位抖動都會導致最終生成糾纏的退相干,。為解決這一難題，團隊設計并發(fā)展了一套非常精巧的相位控制方案,，采用相位控制技術,，并利用量子頻率轉換，成功實現(xiàn)了相距十幾千米遠的量子存儲器之間的糾纏,。以此為基礎,，研究團隊構建了國際上首個城域三節(jié)點量子糾纏網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡可以在任意兩個量子存儲器節(jié)點間建立糾纏,。

該工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡的距離由幾十米提升至幾十公里,，為后續(xù)開展分布式量子計算、分布式量子傳感等量子網(wǎng)絡應用奠定基礎,。該工作是國際首個城域多節(jié)點量子網(wǎng)絡實驗,。

（總臺央視記者帥俊全褚爾嘉）

(責任編輯：王毅 CN096)