中国和西班牙的两个新突破，为可扩展的量子互联网奠定了基础

光子盒研究院出品

可以存储多路复用信号、提供可以预告纠缠的信号、以及在电信波长下运行的量子中继器已经由两个独立的研究团队开发出来。他们的工作可能让人类朝着创建可扩展的量子互联网迈出的重要一步。

如果量子互联网能够建成，那么就可以同时使用分布在各地的多个量子计算机，从而解决更大、更复杂的问题。量子互联网还将提供安全通信，因为窃听量子信息的交换很容易被识别。

这种量子网络的主干将是不同网络节点之间的量子纠缠链路。然而，以高数据速率在长距离上创建纠缠链路仍然是一个挑战。一个大问题是量子信息在传输时会衰减，而量子力学的规则不允许传统中继器节点放大信号。这个问题的解决方案可能是量子中继器——它可以放大量子信号，同时仍然遵循量子力学。

现在，两个独立的研究小组——西班牙光子科学研究所(ICFO)和中国科学技术大学(USTC)——展示了量子存储器(QM)是如何提供一条通往实用量子中继器的途径的。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03481-8

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3

两个团队的方法都使用光子对源，其中一个光子存储在量子存储器(QM)中，另一个用作预告(或确认)纠缠的信号。通过使用不同的光子波长同时存储多个信号，多路复用是通过原子频率梳协议实现的。这意味着系统不必等到一个成功的预告事件后才生成下一个纠缠对。同样重要的是，预告光子处于电信波长，使系统与现有电信网络兼容，并允许使用光纤在长距离上产生纠缠。

ICFO系统使用量子存储器将光子存储在数百万个原子中，所有原子都随机放置在稀土掺杂的晶体内。该团队使用一组不同波长的光子：一种波长为606 nm，用于存储，一种波长为1436 nm（电信波长），用于发出信号表示实现了纠缠。在释放信号之前，量子存储器可以存储多达25µs的信号。通过将单个光子叠加在放置在相距10米的不同实验室中的两个量子存储器上存储单个光子，可以在两个量子存储器之间实现纠缠。

ICFO大楼实验装置和实验室位置示意图

与此同时，在中国，中国科学技术大学的团队使用了基于稀土离子掺杂晶体的量子存储器。该团队建立了一个带有中间站点和两端节点的基本链路。每个节点都包含一个量子存储器，其中每个光子对的一个纠缠光子在被释放用于分析之前存储了56 ns，而另一个被传输到中间站进行联合贝尔态测量 (BSM)。成功的BSM预告了一次成功的纠缠交换操作，并且在相距3.5米的两个量子存储器之间建立了纠缠。

基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图

西班牙光子科学研究所的小组负责人Hugues de Riedmatten 在评论其工作时说：“必须克服一些技术挑战，例如装置的频率稳定和将光纤长度控制在几百纳米以内。我们现在正致力于提高源和量子存储器的性能，以获得更长的存储时间和按需读取存储的量子比特。我们朝着多节点网络和更远距离的量子中继器迈进，并在链路之间执行纠缠交换。”

中国科学技术大学的周宗权说：“我们的工作展示了基于吸收型存储器的量子中继器基本环节的完整演示。”关于未来的发展，他补充道：“我们将把光源更新为确定性纠缠源，以大大提高纠缠分布率。总体而言，存储器的性能（包括效率、寿命和多模容量）应该得到极大提升，并根据实际量子中继器的应用进行优化。”

荷兰代尔夫特理工大学的Ronald Hanson对两个团队的成就表示肯定：“在构建量子中继器的特定背景下，可以认为这些结果是一项可以改善长距离量子通信传输地重要成就。对于基于固态集成的存储器，这显著地推动了现有技术的发展。最重要的是结合了电信波长的操作、可以预告纠缠的信号和复用能力。未来存储器性能的提高将能够提供根据扩展到有用的量子中继器系统所需的全面预告。”2021年年初，Hanson带领团队实现了第一个三节点量子互联网。

三节点量子互联网

日本庆应义塾大学的Rodney Van Meter也称赞了这项工作：“两个团队（尽管在细节上有所不同）都取得了非凡的成就：创造了两个纠缠光子对，将两个光子存储在相距一定距离的独立存储器中，同时将其余两个光子组合在一起进行联合测量。然后，两个存储的光子被释放，并测量它们的成功纠缠。”他补充说，它仍处于早期阶段，需要进行重大改进：“试验率和成功概率仍然需要提高，但似乎每天都会有新的结果，这些结果使我们更接近实际的量子互联网。”

参考链接：

https://physicsworld.com/a/new-quantum-repeaters-could-enable-a-scalable-quantum-internet/

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