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量子網(wǎng)絡(luò)的基本單元是遠(yuǎn)距離雙節(jié)點(diǎn)糾纏。通過(guò)采用量子存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)光子進(jìn)行存儲(chǔ)，將使不同節(jié)點(diǎn)間的高效糾纏連接成為可能。構(gòu)建存儲(chǔ)器間糾纏并拓展節(jié)點(diǎn)間距一直是量子網(wǎng)絡(luò)方向的研究熱點(diǎn)。已實(shí)現(xiàn)的雙節(jié)點(diǎn)糾纏實(shí)驗(yàn)中，最遠(yuǎn)直線(xiàn)距離僅為1.3公里。2020年潘建偉團(tuán)隊(duì)在此方向取得突破【Nature 578, 240 (2020)】，將雙節(jié)點(diǎn)糾纏的光纖鏈路距離拓展至50公里。然而該實(shí)驗(yàn)中，兩臺(tái)量子存儲(chǔ)器位于同一間實(shí)驗(yàn)室，并未實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程分離。

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程分離的存儲(chǔ)器間糾纏，每個(gè)量子存儲(chǔ)裝置需能夠獨(dú)立操控。在該研究中，節(jié)點(diǎn)A位于合肥市創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園，節(jié)點(diǎn)B位于中國(guó)科大東區(qū)，二者之間由20.5公里的光纖進(jìn)行連接。團(tuán)隊(duì)在節(jié)點(diǎn)A產(chǎn)生了具有長(zhǎng)壽命的光與原子糾纏，并將產(chǎn)生的單光子經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換后發(fā)送到節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B將收到的光子再次頻率轉(zhuǎn)換后采用另一臺(tái)量子存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)采用激光冷卻的銣原子進(jìn)行量子存儲(chǔ)，其光子波長(zhǎng)為795納米，并不適合在長(zhǎng)光纖內(nèi)傳輸。采用由濟(jì)南量子研究院研制的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)將光子波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移至1342納米，極大地降低了光子在長(zhǎng)光纖內(nèi)的衰減。該工作的另一難點(diǎn)在于長(zhǎng)壽命量子存儲(chǔ)，存儲(chǔ)壽命需超過(guò)光子傳輸時(shí)間。為此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的光與原子糾纏產(chǎn)生方案，在獲得長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命的同時(shí)，產(chǎn)生的光子比特編碼在時(shí)間自由度上，非常適合頻率變換以及遠(yuǎn)距離傳輸。

以此為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立存儲(chǔ)器間的遠(yuǎn)距離糾纏。該工作為后續(xù)構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)、進(jìn)行量子物理檢驗(yàn)、探索器件無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部部、安徽省、國(guó)家自然科學(xué)基金委、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等的支持。

論文鏈接

量子存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)分布示意圖

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