新型量子存储器助力构建大规模实用化量子互联网

 文 | 任健

编校 | 龚欣

6月2日国际顶尖学术期刊《自然》在线背靠背发表了量子存储和中继领域的两份最新成果。两篇文章分别来自中国和西班牙的研究团队，报道了通过构建量子中继实现空间分离节点间的量子纠缠，这对于发展高速、远距、稳定的量子互联网奠定了重要基础。

过去几十年间，信息技术的发展日新月异，光纤、卫星的加入使得信息在地球甚至是星际之间的传播成为现实，同样给科技、经济都带来了巨大影响。在远距离传输过程中，中继器作为可以复制、调整和增强信号的装置在扩展网络传输距离中扮演着重要角色。在构建量子互联网的过程中，同样需要量子存储和中继装置发挥同样的作用。然而在量子水平上远距离稳定运行这样的系统，需要量子纠缠同样必须在远距离上产生和长时间地保持，对于量子存储器的要求也更高。基于量子存储器的量子中继研究已经在最近一段时间成为国内外相关领域的研究热点。

来自中国研究团队的文章题为Heralded entanglement distribution beTWeen two absorptive quantum memories（两个吸收型量子存储器间的可预报量子纠缠分发），由中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组完成。

图 | 实验装置（来源：www.nature.com）

研究人员利用参量下转换技术制备了两套纠缠光源，同时开发了一种具有“三明治”结构的基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子存储于量子存储器中，另一个光子则被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。这样一种将纠缠光源和量子存储器分离的架构，可以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，对于实现量子中继中的通信加速提供了可能。实验中贝尔态检验的过程也是纠缠交换的过程，即尽管两个量子存储器间没有任何直接相互作用，但是二者间依旧成功地建立起量子纠缠。

研究人员在实验中使两个相距3.5 m的量子存储器以80.4%的保真度建立量子纠缠，并在中继基本链路中实现了4个时间模式的并行复用，将纠缠分发速率提高了4倍。这一纠缠交换的过程实现了基于吸收型量子存储器的量子中继的构建，证实了多模式复用在量子中继中的加速作用，并且成功“预报”了纠缠何时建立，这对于未来复杂量子中继的快速传输甚至是大规模量子互联网的构建都至关重要。

背靠背发表的另一篇论文，Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories（多模固态量子存储器之间在电信频率的预告纠缠），来自西班牙巴塞罗那光子科学研究所，他们选择了与中科大团队相似的实验设置并获得了相当的实验结果。研究人员使用两种可以产生波长为1436 nm（与光纤通信波长一致）和606 nm的光源，在两个相距10 m的量子存储器之间实现了量子纠缠，并且单光子在量子存储器中可以保持长达25 μs。

图 | 实验装置（来源：www.nature.com）

虽然当前这些工作只是小范围的验证性研究，但是国内外的研究人员都已经瞄准了更大规模量子互联网的实际应用。西班牙的研究人员表示，接下来他们将尝试在巴塞罗那和卡斯特尔德费尔斯之间进行相距35公里的量子存储器纠缠实验。近日基于光纤的远距离量子密钥分发实验的世界纪录从509公里提高到600公里。未来如果希望将这一记录推向更高目标，量子存储和中继将扮演不可或缺的重要角色。

量子纠缠系统在实验中一般通过符合测量进行研究，受益于仪器的进步，高阶、多重的符合测量也不再困难。类似的量子光学和量子信息实验中都需要先进的单光子信号检测和记录装置。目前以超导纳米线单光子探测器为代表的新型探测器具有更短的上升时间和探测死时间，需要搭配性能更好的高速时间数字转换器以实现单光子信号的记录和处理。中科大团队此次选用的是德国Swabian Instruments开发的基于现场可编程门阵列FPGA的时间数字转换器Time Tagger，其独特的流式数据处理架构、灵活的软件程序和高速数据传输率非常适合于单光子信号的记录和处理。Swabian Instruments最近发布的具有低于4 ps抖动的高分辨版本Time Tagger已经为未来量子光学领域更精密、更苛刻的实验需要做好了准备。