中國科學(xué)家實現(xiàn)基于冷原子量子存儲的量子中繼器

【資料簡介】

中國科學(xué)家實現(xiàn)基于冷原子量子存儲的量子中繼器
       8月28日出版的科學(xué)期刊《自然》發(fā)表了中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室潘建偉教授及其同事苑震生、陳宇翱等完成的題為“量子中繼器實驗實現(xiàn)”的重要研究成果。在該工作中，他們利用冷原子量子存儲技術(shù)在上實現(xiàn)了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出并轉(zhuǎn)化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果地實現(xiàn)了長程量子通信中亟需的“量子中繼器”，向未來廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的zui終實現(xiàn)邁出了堅實的一步。

    目前，安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，量子通信具有率和安全等特點，并因此成為上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點。然而，作為量子通信的基本資源，脆弱的糾纏光子極易被信道吸收，造成信號隨通信距離指數(shù)衰減、誤碼率提高進而導(dǎo)致通信失敗。因此，目前量子通信的距離被限制在100公里的量級。類比于傳統(tǒng)的電子通信中為了補償電信號衰減而進行整形和放大的電子中繼器，奧地利科學(xué)家在理論上提出，可以通過量子存儲技術(shù)和量子糾纏交換和純化技術(shù)的結(jié)合來實現(xiàn)量子中繼器，從而zui終實現(xiàn)大規(guī)模的長程量子通信。盡管潘建偉及其奧地利的同事已經(jīng)分別在1998年和2003年在實驗上實現(xiàn)了糾纏交換和糾纏純化，但是，量子存儲的實驗實現(xiàn)卻一直存在著很大的困難。為了解決量子存儲問題，上人們做了大量的研究工作。比如段路明及其奧地利、美國的合作者就曾于2001年提出了基于原子系綜的另一類量子中繼器方案。由于這一方案具有易于實驗實現(xiàn)的優(yōu)點，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛重視。然而，隨后的研究表明，由于這一類量子中繼器方案存在著諸如糾纏態(tài)對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等嚴(yán)重問題，無法被用于實際的長程量子通信中。

    為了解決上述困難，潘建偉、陳增兵和趙博等在理論上提出了具有存儲功能的，并且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的率量子中繼器方案。同時，中國科大潘建偉研究小組及其德國、奧地利的同事經(jīng)過多年的合作研究，在逐步實現(xiàn)了光子-原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隱形傳態(tài)等重要階段性成果的基礎(chǔ)上，zui終實驗實現(xiàn)了完整的“量子中繼器”基本單元。由于量子中繼器實驗實現(xiàn)在量子信息研究中的重要意義，《自然》雜志為此專門向科學(xué)新聞媒體發(fā)布了題為“量子推動 （Quantum Boost）”的新聞稿，稱贊該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。