中国学者首次实现了基于吸收型量子存储器（QMs）的量子中继基本链路，并演示了多模式量子中继。
基于吸收型量子存储器实现量子中继的原理示意图。（图片来源：中科大官网）
翻译 | 李诗源
审校 | 王昱
近日，中国学者首次实现了基于吸收型量子存储器（QMs）的量子中继基本链路，并演示了多模式量子中继。该成果已于6月2日发表于《自然》杂志。
量子网络的基本任务是在两个相距遥远的地点之间进行纠缠分发。然而，由于光纤传输过程会发生损耗，量子纠缠分发在地面上的传输距离被限制在100公里左右。量子中继可以将长距离传输分解为多段短距离基本链路，从而解决这一问题。为了实现量子中继，首先要创建每条链路两端的节点。然后，通过在各链路之间进行纠缠交换，量子纠缠传输距离即可逐步扩展。
此前，人们已在冷原子系统和单光子系统中实现了量子中继基本链路。这些演示均基于发射型的量子存储器，即纠缠态的光子由量子存储器发射出来。基于发射型量子存储器的量子中继架构简单，但兼容性较差，难以同时支持确定性纠缠光源和多模式复用存储的操作，而这两项技术是提升纠缠分发速率的关键。基于吸收型量子存储器的量子中继可以突破此限制，因为这一架构将量子存储器和纠缠光源分离开来。
该研究团队由中国科学技术大学的李传锋教授和周宗权教授领导，致力于研究基于稀土离子掺杂晶体的吸收型量子存储器。这种量子存储器的纠缠光源选择较为灵活——确定性纠缠光源也是选项之一，同时还能保持多模式复用能力，因而在量子中继应用中更为高效。在该研究中，研究团队使用了基于自发参量下转换的外部纠缠光子对源（EPPSs），首次实现了两个吸收型量子存储器之间的可预报纠缠分发。
研究团队搭建了一条包含一个中继站和两个端节点的基本链路。每个节点包含一个带宽为1GHz的吸收型量子存储器和一个带宽匹配的外部纠缠光子对源。在每个节点中，每对纠缠光子的其中一个被存储在具有“三明治”结构的量子存储器里，而另一个则被传输到中间站点进行贝尔态检验（BSM）。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个相距3.5米的量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器之间没有发生任何直接的相互作用，且纠缠保真度约为80.4%。此次量子中继基本链路的演示实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍。
实验装置图。（图片来源：研究论文）
周宗权教授说道：“我们预期在未来，吸收型量子存储器的应用可以实现高效的量子中继和量子网络，并进一步促进量子世界里‘牛郎织女’般的联络。”
该成果为实用量子中继的开发指点了可行的方向，为高速量子网络的构建打下了基础。审稿人指出“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”，并高度评价这一工作是“一项重要的成就，将为接下来的研究奠定基础”以及“在发展实用量子中继上迈出的一大步”。
李传锋教授表示团队还会继续改进吸收型量子存储器的指标：“我们会利用确定性纠缠光源来大幅提升纠缠分发速率，并实现光纤直接传输之外的实用量子中继。”
中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息与量子科技创新研究院的博士后刘肖和博士研究生胡军为本研究的共同第一作者。李传锋教授和周宗权教授为通讯作者。
