重大突破！中科大团队首次实现多模式量子中继

2021年以来，中国科学技术大学已经在CNS上发表多篇不同领域（如化学、生命科学）成果。近日，他们在量子信息领域又有重大突破！

据悉，中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子存储和量子中继领域取得重大进展。相关论文以 Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories 为题于6月2日发表在Nature上。团队成员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。

此外，Nature审稿人对该工作给予了高度评价，他们表示：这个实验采用系综存储器，在量子中继应用中具有一系列的优势，比如多模式复用；这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就！

由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。

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。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。

▲基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图

李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究，近十年不断提升固态量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求，包括使存储保真度达99.9%、模式数达100个、光存储寿命达1小时等。

在本实验中，研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。

一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。

量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。

▲实验装置图

该工作证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。