潘建伟团队取得长距离固态量子网络的突破：从1到300公里

光子盒研究院出品

近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强等与合作者在300多公里光纤连接的两个独立的量子点(QD)之间实现了高可见度的量子干涉。论文发表于12月27日的Advanced Photonics[1]。

量子点是一种很有前途的单光子源技术，但在过去的二十年里，独立量子点之间的量子干涉可见度很少超过50%的经典极限，距离也被限制在几米或几公里左右。因此，这项工作是长距离固态量子网络的关键一步。

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量子网络的关键技术：高性能量子光源

今年的诺贝尔物理学奖颁发给了量子纠缠的重要研究，同时也设想了它在“第二次量子革命”中的潜在应用：当我们能够操纵量子力学时，将会迎来量子叠加、纠缠的新时代，一个大规模和功能齐全的量子网络将打开物理学的新领域，为量子计算、通信和计量学提供新的可能性。

这其中，最重要的挑战之一是将量子通信的距离扩展到一个实际有用的规模。与可以无噪声放大的经典信号不同，叠加的量子态不能被放大，因为它们不能被完美地克隆。因此，一个高性能的量子网络不仅需要超低损耗的量子通道和量子存储器，还需要高性能的量子光源。

量子网络应用对单光子源的要求是什么？首先，它应该一次发射一个（只有一个）光子；第二，为了达到亮度，单光子源应该有高的系统效率和高的重复率；第三，对于需要干涉独立光子的量子传输等应用，单光子应该是不可区分的。其他要求包括一个可扩展的平台、可调谐的窄带线宽（有利于时间同步），以及与物质量子比特的互连性。

一个有前途的单光子源技术是量子点（QD），量子点是只有几纳米的半导体颗粒。然而，在过去的二十年里，独立的QD之间的量子干涉的可见性很少超过50%的经典极限，距离也被限制在几米或几公里左右。

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实现光纤连接、高可见度的量子干涉

12月27日，潘建伟团队在两个独立的QD之间实现了高可见度的量子干涉，并以约300公里的光纤连接。他们报告了具有超低噪声、可调谐的单光子频率转换和低色散的长光纤传输的高效和无差别的单光子源。

两个固态QD单光子源之间的量子干涉。

302公里光纤分离的两个独立固态QD单光子源之间的量子干涉实验配置。

单光子是由确定性地耦合到微腔的谐振驱动单QD产生的。量子频率转换被用来消除QD的不均匀性，并将发射波长转移到电信波段，观察到的干涉可见度高达93%。据作者中国科大教授陆朝阳说[2]：“可行的改进可以进一步将距离延长到约600公里。”

陆教授说：“我们的工作从以前基于QD的量子实验的规模从约1公里扩展到300公里，大了两个数量级，从而开启了固态量子网络的令人兴奋的前景。”

随着这一技术进步，固态量子网络将迎来新的突破。

参考链接：

[1]https://www.spiedigitallibrary.org/journals/advanced-photonics/volume-4/issue-06/066003/Quantum-interference-with-independent-single-photon-sources-over-300km-fiber/10.1117/1.AP.4.6.066003.full?SSO=1

[2]https://phys.org/news/2022-12-high-visibility-quantum-independent-semiconductor-dots.html

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