上海交大在室温量子网络研究上取得进展

来源：上海交通大学物理与天文学院

近日，国际光学权威期刊《Optica》以“Heralding quantum entanglement between two room-temperature atomic ensembles”为题发表了上海交通大学物理与天文学院金贤敏团队和李家明院士合作的最新研究成果：实验上首次基于室温原子系综实现了独立量子存储节点之间的预报量子纠缠建立。Optica是美国光学学会（OSA）旗下顶级期刊。

研究团队创新性地在实验上设计了一套解决方案解决了在室温原子系综中构建量子存储节点间的预报量子纠缠的难题，这将进一步推动量子网络朝着更加大规模可扩展、更加实用化的方向发展。

成功构建两个室温原子系综间的预报量子纠缠

量子网络为人类未来的量子技术发展描绘了美好的绘景。互联网是深刻改变人类社会的伟大发明，它对我们今天日常生活的影响是全方位的，不仅彻底改变了人类的生活方式，也极大地推动了生产力发展和效率的提高。近些年来蓬勃发展的量子信息技术，成为这个时代最有影响力的变革之一。科学家们根据经典与量子的对应，自然地构想出了量子网络这一具有巨大的应用潜力和价值的概念。

与此同时，近些年来量子信息领域技术的不断进步，让量子网络变得不再是科学家脑海中的想象，它的确可以在实验室中被广泛验证并建立。基于量子网络的构想，科学家们可以构造量子通信网络，其最核心的架构便是量子中继器，通过量子中继网络人们能够实现量子资源突破空间距离限制来进行分发，这将使得建立全球范围内的量子通信网络变得可行；科学家们还可以构造量子计算网络，试想局部量子计算比特的寄存器通过量子网络相连接，这将会构建一个巨大的分布式量子计算网络，它带给人们计算和模拟的潜力将是巨大的；科学家们甚至还可以将量子精密的传感器构建成网络，这样的量子传感网络会带来精密测量的精度进一步攀升…量子网络给人类描绘了一个非常美好的未来，它势必会将量子信息技术的发展带到一个崭新的高度。

室温量子网络节点示意图。(a)量子网络概念图 (b)室温量子节点建立纠缠流程图

迄今为止，人们在冷原子系综、超低温的掺杂固态晶体、离子阱以及腔QED等系统中演示了构建量子网络的可行性。构建量子网络的前提便是要在独立的量子节点之间建立预报量子纠缠连接。但如果我们想构建可大规模可扩展的量子网络，这些对物理条件要求严苛而且调控手段复杂的实验系统会使得量子网络走向实用化和日常生活带来一些不便。

于是，非常接近日常生活条件的室温原子系综便进入了研究人员的视野中。但其中将要面对的困难也是不言而喻，最重要的问题便是失去了超低温、激光冷却和束缚等系列调控手段后，体系的噪音问题非常严重。量子纠缠是一种极为脆弱且容易退相干的资源，这就使得在室温量子节点之间构建预报纠缠这一任务变得看似极为不可行。

构建室温大规模可扩展量子网络成为可能。如何将两个室温宽带存储器真正地纠缠到一起？成为研究团队日思夜想期望解决的问题。

首先是科学机制上的问题，如何从源头上来避免显著的噪音问题？研究团队基于国际上公认的构建量子中继切实可行的DLCZ方案，同时结合远失谐机制，为在室温原子系综中观察到超高的量子关联奠定了方案基础。

其次是要解决技术上的一些难点，研究人员没有使用像其他超低温及冷却原子、离子等非常复杂的控制手段，这就促使研究团队去设计一些巧妙的方案来完成从庞大的噪音背景中提取信号的任务。研究团队在这项工作中，主要使用了两项巧妙但是易于操控的设计，分别是针对正交偏振干涉仪的锁相设计和控温精度极高的滤波腔设计,它们为成功实现室温原子系综的预报纠缠提供了有力的技术支持。

室温量子网络解决方案的实验装置模型图

验证量子纠缠存在的实验结果。（a）高干涉对比度的量子干涉曲线 （b）重构原子系综纠缠态的密度矩阵

成功观察到室温存储器间量子纠缠。基于稳定的相位锁定和强大的滤波能力，研究团队观察到了高干涉对比度的量子干涉曲线，并成功地重构出来两独立室温原子系综之间预报纠缠的密度矩阵，充分验证了这种纠缠的存在。

成功地实现室温原子系综间的预报量子纠缠仅仅只是个开始，研究团队未来还将锲而不舍地朝着几大方向来努力，首先是提高室温宽带存储器的寿命，目前最新的国际上研究成果表明室温原子系综的量子存储器同样可以实现毫秒级别的存储寿命，未来这个记录还有望刷新；其次是进行通信波长的转换，这在许多前沿进展中都已经被成熟地运用，这项技术将使得基于室温原子系综的量子网络节点和现行的光纤通信网络兼容，这将为实现真正实用化的量子网络打开一个良好的开端；未来，研究团队还将继续对室温原子系综简单易操控的优势进行充分发掘，将其进一步做到小型化甚至芯片化，这将为实用化量子信息处理创造更多全新的可能。

追求实现大规模可扩展的量子网络是研究人员的梦想，而迈向真正室温条件下实用化的量子网络，室温原子系综无疑是最简单最引人注意同样也是最让人望而却步的一种系统。吸引人之处在于，它的装置极为简单，设备运行情况最接近日常生活的条件，而且成本也具有无可比拟的优势；令人望而却步之处在于，当我们撤掉超低温、无需复杂激光冷却和束缚等一些列严苛的调控手段时，室温原子系综似乎变得让人无法掌控，如何才能大海捞针一般从噪音中提取到目标单光子信号是科研人员面对的“不可能任务”。然而今天，研究团队首次从原理上证明基于这样的室温原子系综，同样也可以实现构建量子网络节点的预报纠缠，这无疑为将来实用化量子网络的构建打开了一种新的可能。

研究团队感谢上海市科委重大项目和国家自然科学基金重点项目的雪中送炭，感谢国家重点研发计划、上海市教委的大力支持。上海交通大学物理与天文学院集成量子信息技术研究中心博士生李航为论文第一作者，金贤敏教授和李家明院士为论文共同通讯作者。

论文链接： 

https://doi.org/10.1364/OPTICA.424599

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