中国科大量子研究登《自然》封面：首次实现多模式量子中继

中国科学家首次实现多模式复用的量子中继基本链路，展现了多模式复用的量子通信加速效果，并实现了两个固态存储器的量子纠缠。该工作为高速率、大尺度量子网络的建设提供了全新的实现方案。

该研究由中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组完成，其成果于北京时间6月2日23:00在《自然》期刊以封面论文形式发表。

远程量子纠缠传输是构建大尺度量子通信网络的一项基本任务。而光子作为量子通信信道中的最佳载体，容易被光纤吸收或散射而呈指数衰减。比如，通过光纤向距离1000公里外的地方每秒发射100亿个光子，300年才能接收到1个光子。就是说，光子通过光纤的直接传输距离被限制在数百公里。

为此，科学家提出量子中继以实现远程量子纠缠传输。这是指，将远距离传输划分为若干短距离基本链路，先在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠，然后通过纠缠交换技术进行级联，从而逐步扩大量子纠缠的距离。

量子中继的核心在于量子储存器，即将光子储存起来而不改变其量子态。等到相邻存储器纠缠成功后，再执行下一步纠缠交换。

实际上，由于量子态的脆弱性，量子的存储和读取过程中不改变量子态十分困难。

到目前为止，已经在冷原子气体和单量子系统中实现量子中继的基本链路，但均采用发射型量子存储器。发射型存储器的纠缠光子是由存储器直接发射出来的，其结构简洁，但兼容性较差，难以同时满足确定性量子光源及多模式复用这两个量子中继中关键的通信加速技术。确定性量子光源不存在多光子噪声，其发射效率可以逼近100%。多模式复用与经典光通信中的复用技术原理类似，即并行使用不同的时间或频率模式的光子来加快通信的速率。

使用吸收性量子存储器可以克服这些问题。在基于吸收型量子存储器的量子中继架构中，量子光源与量子存储器相独立，所以这种架构可以同时兼容确定性量子光源以及多模式复用，是目前理论上传输速率最快的量子中继方案。

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，通过测量建立纠缠。

因此，“牛郎”和“织女”借助“鹊桥”可以在没见面的情况下成功建立纠缠。论文共同第一作者刘肖及胡军说：“我们成功演示了4个时间模式的并行复用，获得了4倍加速的纠缠分发速率，经过实验验证，通过贝尔态测量预报两个节点之间的纠缠保真度超过80%。”

李传锋教授表示：“下一步，研究组将继续提高量子存储器的各项指标，并采用确定性纠缠光源，从而大幅提高纠缠分发的速率，努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。”