中科大首次实现基于吸收型存储器的量子中继基本链路

中国神话传说中，每年农历七夕借助一座鹊桥，牛郎织女得以见一面。试想一下，如果喜鹊飞快点，就能把桥搭得更快，牛郎和织女也能更早见面。那么有可能实现更快搭桥吗？在科学家眼中，这其实是一个通信问题

北京时间 6 月 2 日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组，首次实现基于吸收型存储器的量子中继基本链路，并展现了多模式量子中继的通信加速效果。

假如量子世界中两个分离的量子节点分别是牛郎和织女，这条量子中继基本链路就是鹊桥，中科大团队建立的多模式量子中继能让通信速率提升四倍，可为高速率、大尺度量子网络的建设提供全新实现方案。

相关论文以《基于吸收型存储的可预报量子纠缠分发》（Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories）为题发表在 Nature 上，并且是当期封面文章，其中周宗权担任共同通讯作者，他生于 1990 年，目前是中科大的副教授。

论文共同第一作者刘肖及胡军说：“我们成功演示了四个时间模式的并行复用，获得了四倍加速的纠缠分发速率，经过实验验证，通过贝尔态测量预报两个节点之间的纠缠保真度超过 80%。”Nature 审稿人评价该工作称：“这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就”“将为接下来的研究奠定基础”，并表示相关 “实验在量子中继应用中具有一系列的优势，比如多模式复用。”

多年来，全球科学界都在为构建全球性量子通信网而努力。假如两个量子发生纠缠，一个有变化，另一个瞬间也会变。依靠这种现象，无论两点之间距离有多远，人类都有希望实现量子通信，但当前仍有很多待解难题。

按照传说，牛郎织女可以每年一会，而光纤每秒发射到一千公里之外的一百亿个光子，竟要耗时三百年才能接收到一个光子。

后来，量子中继的思想被提出，其核心是把远距离传输分为多个短距离传输，然后在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠，再通过纠缠交换技术来逐步扩大量子纠缠的距离。

其中，量子存储器是量子中继的核心器件，可用于储存光子纠缠态，在相邻存储器纠缠成功之后，量子存储器就能执行下一步纠缠交换。

此前，相关研究大多使用发射型量子存储器。使用这种存储器的缺点在于，无法同时支持高效率纠缠光子发射以及多模式复用技术。而基于吸收型存储器的量子中继可以克服这个困难。多年来，该团队一直在研究吸收型量子存储器，并将成果体现在本次论文中。

远程量子纠缠传输，是构建全球量子通信网络的核心任务。但是，光子数在光纤中的指数衰减，导致地面的直接传输距离被局限在一百公里之内。

量子中继传输速度主要受到哪些因素影响？

周宗权表示，量子中继的传输速率，会受到很多因素的影响，量子中继的逻辑结构设计、以及器件性能都会影响速率。

具体而言，量子中继主要包括两步：第一步是基本链路的纠缠建立；第二步是基本链路之间的纠缠交换过程。其中，纠缠交换的速率主要由量子光学基本原理所限制，所以提升速率的关键，在于基本链路的纠缠建立速率。

这一速率的主要受制因素有纠缠光源的发射概率，以及不可避免的传输以及器件损耗。针对纠缠光源的发射概率，使用能以 100% 几率发射的光源确定性光源即可解决，它需要的物理系统是单原子类型的。

而针对不可避免的传输以及器件损耗，使用多模式复用可以克服损耗，而它需要的物理系统是原子系综类型。作为目前最优的量子中继架构，吸收型存储器可同时满足这两个诉求。 另外，量子中继需要使用很多器件，如量子存储器、量子纠缠光源、单光子探测器等，每种器件的不完美都会导致传输速率降低。对量子存储器来说，存储时间、存储效率和多模式复用能力等指标非常重要。而对量子纠缠光源来说，发射速率、收集效率等指标对传输速率也影响很大。

多模式复用可提高纠缠传输速率

周宗权解释称，多模式复用能提高纠缠的传输速率，类似光纤通信中的时分复用及波分复用技术可以提高通信速度。而在该研究的实验里，多模式是指的时间模式，即处于不同时间范围的光子。

在一个量子中继的基本链路中，两端节点的纠缠建立会面临如下挑战，每次尝试时如果只有一个模式，那么在该周期内，一个节点只能发射一对光子来尝试建立纠缠。由于信道损耗，一般成功概率很小。一旦失败，就要等到下一周期进行再尝试。

如果有多个模式，每个模式的光子都能进行纠缠建立。并且，只要有一对光子成功建立纠缠，两个节点的纠缠也会成功建立，量子纠缠建立的成功率也可得到提高。

周宗权解释称，中继链路纠缠分发的速率和模式数成正比，假如使用 N 个模式数，就能将纠缠分发的速率提高 N 倍。

据悉，该团队长期研究基于稀土掺杂晶体的吸收型量子存储器，在基于这种存储器的量子中继架构中，量子光源和量子存储器是相独立的，因此该架构可同时兼容确定性量子光源和多模式复用，是目前理论上传输速率最快的量子中继方案。

经过三年多的努力，该团队使用吸收型量子存储器演示了量子中继的基本链路。两个分离的量子节点、以及中间站点贝尔态测量装置，可组成一个基本链路。每个量子节点中，除了 “牛郎”“织女” 量子存储器之外，各自还有一个纠缠光子对。

研究中，周宗权使用量子存储器捕获、并存储纠缠光子对中的一个光子，每对纠缠光子中的另一个光子，可通过光纤被传输到中间站点 “鹊桥”，然后进行贝尔态测量（Bell-state measurement），测量过程中即可建立量子纠缠。这意味着，借助量子中继基本链路这一 “鹊桥”，作为 “牛郎” 和 “织女” 的两个分离的量子节点，就算不见面也能成功建立纠缠。

谈及“牛郎”“织女” 所使用的量子存储器的不同，周宗权告诉 DeepTech，“牛郎” 和 “织女” 所用的量子存储器本质上是一样的，它们就是一个中继链路的末端两个节点。

这里用的是纠缠交换技术，具体原理如下：如果 A 和 B 是纠缠的，C 和 D 也是纠缠的，尽管 A 和 D 没有发生过直接作用，但是对 B 和 C 执行贝尔态投影测量，只需成功进行一次投影测量，就能 “预报” A 和 D 之间纠缠态的建立。这里的 A 和 D 可以理解成 “牛郎” 和 “织女”，B 和 C 就是中间的 “鹊桥”。

值得一提的是，中间站点 “鹊桥” 除了能建立量子存储器之间的纠缠，还能预报这种纠缠，即知道纠缠何时建立成功，这对量子中继来说可谓至关重要。因为下一步的纠缠交换，必须在相邻的基本链路都已预报纠缠、且成功建立的条件下才能执行。

说到本次研究所用量子存储设备不同之处，周宗权告诉 DeepTech，此前量子中继实验使用的都是发射型量子存储器，而本次实验使用的是吸收型量子存储器。发射型存储器的纠缠光子是由存储器直接发射出来的，虽然它的结构很简洁，但是兼容性较差。

这时，如果使用单原子系统，就很难进行多模式复用；如果使用原子系综，则很难进行确定性发光。概括来说，这种传统结构很难同时满足确定性量子光源、以及多模式复用这两个量子中继中关键的通信加速技术。

而在基于吸收型量子存储器的量子中继架构中，量子光源与量子存储器是互相独立的。量子光源可采用单原子系统，而存储器可使用原子系综，所以这种架构可同时兼容确定性量子光源以及多模式复用，因此是目前理论上传输速率最快的量子中继方案。基于这种架构，周宗权在中继链路中，进一步演示了多模式复用技术。

瞄准千公里乃至万公里级量子网络

目前的实验两个存储器相距仅 3.5 米，而瞄准的应用目标是千公里乃至万公里级的量子网络，所以距离实际应用还需解决很多问题。

周宗权解告诉 DeepTech，对于量子光源、量子存储、探测器和信道稳定性等，量子中继有着比较苛刻的技术需求，系统工程比较复杂。当前，研制量子中继的相关实验也在不断推进中。

下一步，周宗权和团队将继续提高量子存储器的各项指标比如存储时间和效率等，并将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量子中继器，如果实现了，这将是量子中继走上实用化的重要标志之一。

其表示，量子中继一旦走向实用化，就能在地面上利用现有光纤通信网络，在远距离的两点分发量子纠缠，可支持量子密钥分发、量子计算机互联、分布式量子精密测量等所有已知的量子信息应用。 举例来说，量子计算机之间如何传输 100 个量子位的纠缠态？如果全部转化为经典数据再传输，则数据量大约是 2 的 100 次方，超出地球所有经典存储器的容量之和，显然这样不可行。而如果直接传输量子态，则只需要传输100个光子，所以需要建立量子网络，以直接传输量子态的方法来建立量子计算机的互联。

目前的光纤量子密钥分发在 500km 以内，如果能基于量子中继建立大尺度量子网络，则可以实现基于物理学原理安全的千公里级通信。

周宗权表示：“利用吸收型量子存储器有望在未来实现高效率的量子中继和量子网络，进一步推动量子世界里‘牛郎与织女’的顺利通信。”

下一步，该团队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。

原文标题：中科大90后团队搭建 “量子鹊桥”，可将量子通信速率提升四倍，相关研究登上 Nature 封面 | 专访

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责任编辑：haq