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新型量子存儲器助力構(gòu)建大規(guī)模實用化量子互聯(lián)網(wǎng)
6月2日國際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線背靠背發(fā)表了量子存儲和中繼領(lǐng)域的兩份最新成果。兩篇文章分別來自中國和西班牙的研究團隊，報道了通過構(gòu)建量子中繼實現(xiàn)空間分離節(jié)點間的量子糾纏，這對于發(fā)展高速、遠(yuǎn)距、穩(wěn)定的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。
過去幾十年間，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，光纖、衛(wèi)星的加入使得信息在地球甚至是星際之間的傳播成為現(xiàn)實，同樣給科技、經(jīng)濟都帶來了巨大影響。在遠(yuǎn)距離傳輸過程中，中繼器作為可以復(fù)制、調(diào)整和增強信號的裝置在擴展網(wǎng)絡(luò)傳輸距離中扮演著重要角色。在構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的過程中，同樣需要量子存儲和中繼裝置發(fā)揮同樣的作用。然而在量子水平上遠(yuǎn)距離穩(wěn)定運行這樣的系統(tǒng)，需要量子糾纏同樣必須在遠(yuǎn)距離上產(chǎn)生和長時間地保持，對于量子存儲器的要求也更高。基于量子存儲器的量子中繼研究已經(jīng)在最近一段時間成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。
來自中國研究團隊的文章題為Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories（兩個吸收型量子存儲器間的可預(yù)報量子糾纏分發(fā)），由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權(quán)研究組完成。
研究人員利用參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，同時開發(fā)了一種具有“三明治”結(jié)構(gòu)的基于稀土離子摻雜晶體的固態(tài)量子存儲器。每對糾纏光子中的一個光子存儲于量子存儲器中，另一個光子則被同時傳輸至中間站點進行貝爾態(tài)檢驗。這樣一種將糾纏光源和量子存儲器分離的架構(gòu)，可以同時支持確定性光子發(fā)射和多模式復(fù)用存儲，對于實現(xiàn)量子中繼中的通信加速提供了可能。實驗中貝爾態(tài)檢驗的過程也是糾纏交換的過程，即盡管兩個量子存儲器間沒有任何直接相互作用，但是二者間依舊成功地建立起量子糾纏。
研究人員在實驗中使兩個相距3.5 m的量子存儲器以80.4%的保真度建立量子糾纏，并在中繼基本鏈路中實現(xiàn)了4個時間模式的并行復(fù)用，將糾纏分發(fā)速率提高了4倍。這一糾纏交換的過程實現(xiàn)了基于吸收型量子存儲器的量子中繼的構(gòu)建，證實了多模式復(fù)用在量子中繼中的加速作用，并且成功“預(yù)報”了糾纏何時建立，這對于未來復(fù)雜量子中繼的快速傳輸甚至是大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建都至關(guān)重要。
背靠背發(fā)表的另一篇論文，Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories（多模固態(tài)量子存儲器之間在電信頻率的預(yù)告糾纏），來自西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所，他們選擇了與中科大團隊相似的實驗設(shè)置并獲得了相當(dāng)?shù)膶嶒灲Y(jié)果。研究人員使用兩種可以產(chǎn)生波長為1436 nm（與光纖通信波長一致）和606 nm的光源，在兩個相距10 m的量子存儲器之間實現(xiàn)了量子糾纏，并且單光子在量子存儲器中可以保持長達(dá)25 μs。
雖然當(dāng)前這些工作只是小范圍的驗證性研究，但是國內(nèi)外的研究人員都已經(jīng)瞄準(zhǔn)了更大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用。西班牙的研究人員表示，接下來他們將嘗試在巴塞羅那和卡斯特爾德費爾斯之間進行相距35公里的量子存儲器糾纏實驗。近日基于光纖的遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)實驗的世界紀(jì)錄從509公里提高到600公里。未來如果希望將這一記錄推向更高目標(biāo)，量子存儲和中繼將扮演*的重要角色。
量子糾纏系統(tǒng)在實驗中一般通過符合測量進行研究，受益于儀器的進步，高階、多重的符合測量也不再困難。類似的量子光學(xué)和量子信息實驗中都需要先進的單光子信號檢測和記錄裝置。目前以超導(dǎo)納米線單光子探測器為代表的新型探測器具有更短的上升時間和探測死時間，需要搭配性能更好的高速時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)單光子信號的記錄和處理。中科大團隊此次選用的是德國Swabian Instruments開發(fā)的基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器Time Tagger，其*的流式數(shù)據(jù)處理架構(gòu)、靈活的軟件程序和高速數(shù)據(jù)傳輸率非常適合于單光子信號的記錄和處理。Swabian Instruments最近發(fā)布的具有低于4 ps抖動的高分辨版本Time Tagger已經(jīng)為未來量子光學(xué)領(lǐng)域更精密、更苛刻的實驗需要做好了準(zhǔn)備。