中國科學技術大學潘建偉、包小輝、張強等首次采用單光子干涉在獨立存儲節(jié)點間建立糾纏，并以此為基礎構建了國際首個基于糾纏的城域三節(jié)點量子網(wǎng)絡。該工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡的距離由以往的幾十米整整提升了三個數(shù)量級至幾十公里，為后續(xù)開展盲量子計算、分布式量子計算、量子增強長基線干涉等量子網(wǎng)絡應用奠定了科學與技術基礎。5月15日，相關研究成果在線發(fā)表在《自然》(Nature)上。
通過量子態(tài)的遠程傳輸來構建量子網(wǎng)絡是大尺度量子信息處理的基本要素。基于量子網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)廣域量子密鑰分發(fā)以及分布式量子計算和量子傳感，構成未來“量子互聯(lián)網(wǎng)”的技術基礎。目前，基于單光子傳輸?shù)牧孔用荑€網(wǎng)絡已發(fā)展成熟，而面向分布式量子計算、分布式量子傳感等進一步量子網(wǎng)絡應用，需要采用量子中繼技術在遠距離量子存儲器間構建量子糾纏，在此基礎上通過廣域量子隱形傳態(tài)將各個量子信息處理節(jié)點連接起來。
在量子隱形傳態(tài)方面，潘建偉團隊一直處于國際領先水平，先后實現(xiàn)了多終端、多體以及多自由度的量子隱形傳態(tài)，為實現(xiàn)量子信息在量子網(wǎng)絡中的傳輸途徑奠定了技術基礎。在量子存儲與量子中繼方面，該團隊長期開展了相關研究。該團隊在國際上率先實現(xiàn)了具有存儲功能的穩(wěn)定量子中繼節(jié)點；為提升存儲壽命、讀出效率、糾纏制備概率等關鍵指標，該團隊發(fā)展了三維光晶格冷原子量子存儲、環(huán)形腔增強光與原子相互作用、里德堡阻塞抑制高階激發(fā)等多項關鍵技術，不僅實現(xiàn)了綜合性能最優(yōu)的冷原子量子存儲器，而且實現(xiàn)了確定性的光與原子糾纏制備。
在此基礎上，該團隊近年來在量子存儲網(wǎng)絡方向取得多項重要進展。2019年，該團隊通過三光子干涉，實現(xiàn)了實驗室內(nèi)三個冷原子量子存儲器間的糾纏，成為首個可拓展距離的量子網(wǎng)絡原型。2020年，該團隊利用量子頻率轉換技術將量子存儲的出射光子波長由795納米轉換至1342納米，并結合單光子鎖相技術，實現(xiàn)了在實驗室內(nèi)經(jīng)由50公里光纖連接的雙節(jié)點糾纏。
在遠距離分離的獨立量子存儲器間建立糾纏，主要挑戰(zhàn)在于如何控制單光子相位。基于單光子干涉的糾纏方案在糾纏速率方面具有優(yōu)勢，但實驗難度非常高。糾纏過程中量子存儲的控制激光、頻率轉換泵浦激光、長光纖信道等帶來的細微相位抖動都會導致最終生成糾纏的退相干。為解決這一難題，該研究設計并發(fā)展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通過超穩(wěn)腔穩(wěn)頻來壓制控制激光線寬，其次通過光鎖相環(huán)來構建讀寫激光間的相位關聯(lián)，最后通過遠程分時相位比對來構建兩節(jié)點間的相位關聯(lián)。采用以上相位控制技術，并利用量子頻率轉換，該團隊實現(xiàn)了相距十幾千米遠的量子存儲器之間的糾纏。以此為基礎，該團隊構建了國際上首個城域三節(jié)點量子糾纏網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡可以在任意兩個量子存儲器節(jié)點間建立糾纏。
該工作使得現(xiàn)實量子糾纏網(wǎng)絡的距離由幾十米提升至幾十公里，為后續(xù)開展分布式量子計算、分布式量子傳感等量子網(wǎng)絡應用奠定了基礎。該工作是國際首個城域多節(jié)點量子網(wǎng)絡實驗。審稿人對該工作給予高度評價：“他們的成果開啟了量子互聯(lián)網(wǎng)研究的新篇章”(their achievement starts a new stage of quantum internet research)，“為未來大規(guī)模量子網(wǎng)絡鋪平了道路”(paving the way for future large-scale quantum networks)。
《自然》同期發(fā)表了美國哈佛大學Lukin團隊的相關實驗進展。該團隊首次在SiV色心體系實現(xiàn)了雙節(jié)點遠距離糾纏。二者相比，中國科大成果在糾纏效率方面具有明顯優(yōu)勢，比哈佛大學的工作高兩個數(shù)量級以上。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院、安徽省等的支持。
實驗節(jié)點布局示意圖。其中，Alice節(jié)點位于中國科大東區(qū)、Bob節(jié)點位于合肥創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園、Charlie節(jié)點位于中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所。
