【科研进展】原子系综与环形光存储的混合纠缠构建实用化量子网络

近日，上海交通大学物理与天文学院金贤敏教授课题组依托热原子量子存储和全光环形存储实验平台，对两种不同架构量子存储器间的量子纠缠进行了研究。通过对读取过程产生的光子态进行分析，实验结果揭示了环形存储与数十亿个运动原子之间纠缠态的存在，对构建面向实用化环境的量子网络具有重要意义。相关研究成果近日以“Entangling Motional Atoms and an Optical Loop at Ambient Condition”为题在npj Quantum Information期刊中发表。

人类对于外在世界的直观认识，主要来源于遵循经典物理定律的宏观物体运动。然而当进入微观世界，物体的运动则遵循量子力学所描绘的另一套规则。上世纪30年代，Einstein，Podolsky，Rosen和Schrodinger等人发现的量子纠缠现象是量子力学的重要研究对象之一。通常量子效应只在微观领域被观测到，而将量子理论扩展到更一般的环境系统并探索宏观物体中的量子现象，这对于量子力学的基础研究具有重要意义。另一方面，产生和操控量子纠缠的能力是实现量子技术不可或缺的基石。尤其是两个量子节点间的预报式纠缠，沿着量子中继的架构使量子资源的分发突破损耗的限制，对于构建可扩展的高速量子网络具有里程碑式的意义。

构建并验证原子系综与环形光存储间混合纠缠

在近二十年的探索中，学术界已经在冷原子系综、单原子、离子阱、量子点和NV色心等系统中观察到了预报式量子纠缠。但遗憾的是，当离开低温和与环境隔离的实验条件时，系统内部的相互作用和与外部环境的耦合使得宏观系统中量子相干性保持的时间非常短暂。

研究团队在实现基于室温原子系综的DLCZ存储的基础上，结合另一种工作波长匹配的室温环形回路存储，实验实现了两种不同类型的量子存储之间预报式纠缠的产生。通过对读取光子态量子干涉以及光子计数的测量，重构光子态密度矩阵并计算纠缠度量concurrence，实验结果验证了存储纠缠态的存在。同时，研究团队也测量了关联光子对Stokes光子和anti-Stokes光子的互关联函数，在整个系统的存储和读取之后互关联函数达15.39±0.26，超过打破贝尔不等式的界限值6，表明在整个过程中实现了非经典态的产生和保持。实验结果验证了基于不同量子节点实现室温量子网络基本模块的可行性，为整合不同系统优点并实现可扩展实用化混合量子网络提供了新的思路。

(a) 实验装置
(b) 脉冲序列实验结果
(c) 脉冲序列放大图

上海交通大学物理与天文学院的博士生庞晓玲、张超妮以及助理研究员窦建鹏为论文的共同第一作者，上海交通大学金贤敏教授为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、中国博士后科学基金会等项目的资助。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41534-023-00715-7

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

推  荐  阅  读