我国实现首个“量子鹊桥”技术，可将量子通信速率提升四倍

近日，我国科学家在国际上首次实现了两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继，为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。

据报道，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组，在国际上首次实现多模式复用的量子中继基本链路，如同“鹊桥”，可将量子世界里天各一方的“牛郎织女”间的通信速率提升四倍。

▲ 实验装置(图自央视新闻，下同)

由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。

▲ 基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图

经过多年攻关，科研团队成功使用吸收型量子存储器演示了量子中继的基本链路。一个基本链路由两个分离的量子节点，以及中间站点贝尔态测量装置组成。每个量子节点中除了“牛郎”“织女”量子存储器之外，还各有一个纠缠光子对。实验中，每个纠缠光子对中的一个光子被量子存储器捕获并存储，每个纠缠光子对的另一个光子通过光纤同时传输至中间站点“鹊桥”进行贝尔态测量，测量的过程就是纠缠建立的过程。

一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离 3.5 米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了 4 个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了 4 倍，实测的纠缠保真度达到了 80.4 %。该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。

该成果已于 6 月 2 日在国际学术期刊《自然》上发表。