中科大“量子鵲橋”登Nature，量子牛郎和織女沒見面就能糾纏了
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夢(mèng)晨 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI
中科大首次實(shí)現(xiàn)多模式量子中繼，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)器的量子糾纏。
看不懂？
沒關(guān)系，研究人員將其比喻成“量子鵲橋”：讓“量子牛郎”和“量子織女”在沒見面的情況下就能產(chǎn)生糾纏，這下就很直觀了。
該成果由中國(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)研究組提出，并登上最新一期Nature。
量子在光纖中傳輸有指數(shù)級(jí)的損耗，經(jīng)過50公里的光纖傳輸，信號(hào)將衰減至最初的十億億分之一。
后續(xù)研究通過轉(zhuǎn)換光波長(zhǎng)等方法，將傳輸距離提高到百公里量級(jí)，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，在全國(guó)、甚至全球搭建量子網(wǎng)絡(luò)，就需要中繼方案。
中繼的基本思路就是把長(zhǎng)程傳輸分解成多段短距離傳輸，核心是每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的量子存儲(chǔ)器。
通過在存儲(chǔ)器之間建立量子糾纏，再利用糾纏交換技術(shù)逐步擴(kuò)大量子糾纏的距離。
此前的方案是糾纏光子由存儲(chǔ)器直接發(fā)射出來的發(fā)射型存儲(chǔ)器，李傳鋒教授在接受新華社采訪時(shí)表示：
之前大家用的是發(fā)射型量子存儲(chǔ)器，要么一次只能傳輸1個(gè)量子，效率低；要么一次傳輸多個(gè)量子，但精確率低。
而本次研究用三年時(shí)間完善了吸收型量子存儲(chǔ)器，將存儲(chǔ)和發(fā)射分離開來。
△來自中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
實(shí)現(xiàn)了在一次捕獲并存儲(chǔ)4對(duì)糾纏量子的情況下，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏保真度還實(shí)測(cè)超過80%。
量子是怎么被存儲(chǔ)的？
李傳鋒、周宗權(quán)研究組研究的是基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲(chǔ)，最早于2012年實(shí)現(xiàn)99.9%保真度的存儲(chǔ)。
這種存儲(chǔ)器利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態(tài)。
△一種優(yōu)質(zhì)激光晶體
再把一片特殊設(shè)計(jì)的半波片置于兩塊晶體之間，來實(shí)現(xiàn)這兩種偏振態(tài)的互換，整個(gè)量子存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)就像“三明治”。
對(duì)于經(jīng)典的硬盤，每一個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)一個(gè)比特，而量子具有相干性，一個(gè)存儲(chǔ)單元可以一次性存儲(chǔ)大量的量子比特。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)在2015年利用光子的空間自由度實(shí)現(xiàn)了51維的存儲(chǔ)。又在2018年完成空間、時(shí)間和頻率分開的多模式復(fù)用存儲(chǔ)。
2020年，通過在稀土摻雜晶體中刻蝕出光波導(dǎo)，研究出可集成的量子存儲(chǔ)，并可根據(jù)需求決定讀出的時(shí)間。
今年4月，又將光存儲(chǔ)時(shí)間從分鐘級(jí)推進(jìn)至小時(shí)級(jí)。
信號(hào)光場(chǎng)(Probe)被梳狀的原子吸收譜吸收，并被控制光場(chǎng)(Control)存儲(chǔ)為自旋激發(fā)，在射頻場(chǎng)(RF)的操控下將光存儲(chǔ)時(shí)間從分鐘級(jí)推進(jìn)至小時(shí)級(jí)，存儲(chǔ)保真度達(dá)99.9%。
有了以上跨越10年的量子存儲(chǔ)不斷改進(jìn)，才最終得以實(shí)現(xiàn)本次演示的多模式復(fù)用，同時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)量子的中繼效果。
本次演示中完整的試驗(yàn)裝置是這樣的：
在現(xiàn)實(shí)中是這樣：
△攝影：中國(guó)科大全媒體中心 楊建瑞 馬瀟漢 余梓銘
對(duì)于今后的研究方向，李傳鋒教授表示：
下一步，研究組將繼續(xù)提高量子存儲(chǔ)器的各項(xiàng)指標(biāo)，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實(shí)現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3#Fig10
參考鏈接：
[1]http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/1041
[2]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm
[3]http://news.ustc.edu.cn/info/1048/34214.htm
[4]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.190505
[5]http://news.ustc.edu.cn/info/1032/23085.htm
[6]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74849.htm
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