中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组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。6月2日23点《自然》期刊发表了该成果。
（基于吸收型存储器构建多模式量子中继的动画演示 ）
远程量子纠缠传输是构建全球量子通信网络的核心任务。然而，受限于光子数在光纤中的指数衰减，地面直接传输距离被限制在百公里水平。牛郎织女尚可一年一会，通过光纤向距离一千公里外的地方每秒发射一百亿个光子，要花三百年才能接收到一个光子。为此科学家们提出量子中继的思想，即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。
（基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图 ）
量子存储器是量子中继的核心器件，用于储存光子纠缠态，待相邻存储器纠缠成功后，再执行下一步纠缠交换。此前，研究者已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。
李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土掺杂晶体的吸收型量子存储器的研究。在基于吸收型量子存储器的量子中继架构中，量子光源是与量子存储器相独立的，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。自2021年以来（截至2021年6月3日），以中国科学技术大学作为通讯单位的研究团队在Cell ，Nature 及Science 发表了9项研究成果，在物理学，化学，生命科学等领域取得重大进展，iNature系统盘点这些研究成果：【1】由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子存储器构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，从根本上限制了纠缠分发的速率。理论研究表明，基于吸收型量子存储器的量子中继架构可以解决这一问题。这一架构把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。2021年6与月2日，中国科学技术大学李传锋及周宗权共同通讯在Nature 在线发表题为“Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories”的研究论文，该研究利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继。该成果为量子中继的发展研究开创了一个可行的方向，为实用化高速量子网络的构建打下基础。【2】2021年4月16日，中科大潘建伟、陈帅和北京大学刘雄军共同通讯在Science 在线发表题为“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”的研究论文，该研究通过对超冷原子进行3D自旋轨道耦合工程实现的IWSM波段的实验。通过平衡状态下的虚拟切片成像技术可以清楚地测量拓扑Weyl点，并在淬灭动力学中进一步解析。 IWSM波段的实现为研究固体中难以接近的各种奇异现象开辟了一条途径。【3】2021年3月21日，中国科学技术大学田志刚、彭慧、孙汭及法国马赛大学EricVivier 共同通讯在Science 发表题为“Liver type 1 innate lymphoid cells develop locally via an interferon-γ-dependent loop” 的研究论文，该研究发现成年肝脏造血前体细胞向1型天然淋巴细胞（肝脏ILC1，即肝脏定居NK细胞）的分化潜能及调控机制，揭示天然淋巴细胞的骨髓外发育新路径。【4】2021年3月4日，中国科学技术大学汪义丰及利福尼亚大学洛杉矶分校Kendall N. Houk共同通讯在Science 在线发表题为"Sequential C–F bond functionalizations of trifluoroacetamides and acetates via spin-center shifts"的研究论文，该研究发展了一种三氟甲基逐级可控脱氟官能团化反应。该反应从廉价易得的三氟乙酸衍生物出发，通过spin-center shift的过程，选择性切断一个和两个碳-氟键，然后转化为结构多样的功能性双氟和单氟产物。该方法以廉价易得的三氟乙酸或者三氟乙酸酐为起始原料，为制备功能性的单氟和双氟化合物提供了更为经济实用的途径。【5】2021年2月26日，中国科学技术大学王兴安教授课题组与中国科学院大连化学物理研究所孙志刚研究员和杨学明院士课题组合作在Science 在线发表题为“Quantum interference between spin-orbit split partial waves in the F + HD → HF + D reaction”的研究论文，该研究报告了有关电子自旋和轨道角动量在F + HD→HF + D反应中的影响的实验和理论研究的组合。使用高分辨率成像技术，该研究在前向散射方向周围的产品旋转状态分辨的微分截面中观察到了特殊的马蹄铁形图案。当考虑到完整的自旋轨道特性时，只有通过高精度的量子动力学理论才能正确解释这种异常的动力学模式。理论分析表明，马蹄铁形很大程度上是自旋轨道分裂-部分波共振具有正负平衡的量子干扰的结果，这提供了自旋轨道相互作用如何有效影响反应动力学的独特例子。【6】2021年2月19日，中国科学技术大学侯建国，王兵及谭世倞共同通讯在Science 在线发表题为”Determining structural and chemical heterogeneities of surface species at the single-bond limit“的研究论文，该研究结合了扫描隧道显微镜（STM），非接触原子力显微镜（AFM）和尖端增强拉曼散射（TERS）来表征假定的非活性体系，即Ag（110）表面上的并五苯。 该研究能够通过特定的碳氢键断裂，明确关联三种并五苯衍生物的结构和化学异质性。STM-AFM-TERS联合策略为确定广泛存在于表面催化，表面合成和二维材料中的化学结构提供了全面的解决方案。【7】2021年2月3日，北京大学，中国科学技术大学，海军军医大学，首都医科大学等40多家单位联手合作，共同通讯在Cell 在线发表题为“COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas”的研究论文，该研究对来自196名COVID-19患者和对照的284个样品应用了单细胞RNA测序，并创建了一个拥有146万个细胞的全面免疫环境。大型数据集能够确定不同的外周免疫亚型变化与COVID-19的年龄，性别，严重性和疾病阶段等不同的临床特征有关。SARS-CoV-2 RNAs存在于多种上皮和免疫细胞类型中，并伴随病毒阳性细胞内的转录组显著变化。S100A8 / A9的系统性上调主要由外周血中的巨核细胞和单核细胞引起，可能导致重症患者中频繁观察到的细胞因子风暴。该研究数据为了解COVID-19的发病机理和制定有效的治疗策略提供了丰富的资源。【8】2021年1月6日，中国科学技术大学潘建伟，彭承志及陈宇翱共同通讯在Nature 在线发表题为”An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres“的研究论文，该研究演示了一个集成的空对地量子通信网络，该网络结合了包含700多个光纤QKD链路和两个高速卫星对地面自由空间QKD链路的大规模光纤网络。使用可靠的中继结构，地面上的光纤网络覆盖了2,000多公里，为实际设备的缺陷提供了实用的安全性，并保持了长期的可靠性和稳定性。对于典型的卫星通行证，卫星对地面QKD可以实现平均47.8 kb / s的平均密钥速率，比以前的速率高40倍以上。此外，其信道损耗可与对地静止卫星和地面之间的信道损耗相比，从而使通过地球同步卫星构建更通用和超长的量子链路成为可能。最后，通过集成光纤和自由空间QKD链路，QKD网络扩展到了2600公里以外的远程节点，使网络中的任何用户都可以与其他任何用户进行通信，总距离可达4600公里。【9】2021年5月6日，中国科学技术大学潘建伟及朱晓波共同通讯在Science 在线发表题为“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor”的研究论文，该研究设计和制造了一个由62个功能性量子位组成的8x8二维方形超导量子位阵列。 该研究使用此设备演示了高保真单粒子和两个粒子的量子步态。此外，由于量子处理器的高度可编程性，该研究实现了一个Mach-Zehnder干涉仪，其中量子步进器在干涉和射出之前相干地沿两条路径运动。通过调整进化路径上的障碍，该研究观察到了单行和双行的干扰条纹。该研究的工作是该领域的重要里程碑，使未来的大规模量子应用更接近在这些嘈杂的中型量子处理器上实现。李传锋教授展望：“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。”
论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03505-3