量子通信實驗領域的重大突破－中國科學家實現基于冷原子量子存儲的量子中繼器

       8月28日出版的國際著名科學期刊《自然》發表了中國科學技術大學合肥微尺度物質科學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”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在國際上首次實現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。該實驗成果完美地實現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絡的最終實現邁出了堅實的一步。

　　目前，高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。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衰減、誤碼率提高進而導致通信失敗。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，奧地利科學家在理論上提出，可以通過量子存儲技術和量子糾纏交換和純化技術的結合來實現量子中繼器，從而最終實現大規模的長程量子通信。盡管潘建偉及其奧地利的同事已經分別在1998年和2003年在實驗上實現了糾纏交換和糾纏純化，但是，量子存儲的實驗實現卻一直存在著很大的困難。為了解決量子存儲問題，國際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的優點，受到了學術界的廣泛重視。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、誤碼率低的高效率量子中繼器方案（相關工作發表在《物理評論快報》上）。同時，中國科大潘建偉小組及其德國、奧地利的同事經過多年的合作研究，在逐步實現了光子-原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隱形傳態等重要階段性成果的基礎上（先后已有四項相關實驗工作發表在《物理評論快報》或《自然物理》上），最終實驗實現了完整的“量子中繼器”基本單元。由于量子中繼器實驗實現在量子信息研究中的重要意義，《自然》雜志為此專門向科學新聞媒體發布了題為“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”。 

《自然》論文：

Zhen-Sheng Yuan, Yu-Ao Chen, Bo Zhao, Shuai Chen, J?rg Schmiedmayer, Jian-Wei Pan, Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node

Nature, DOI: 10.1038/nature07241.

 量子中繼器實驗原理圖圖注：

在量子網絡中，每個節點由磁光阱制備的冷原子系綜組成，這些原子系綜用作量子存儲器。每個原子系綜跟它自己發出的一個光子形成一個最大糾纏態。在任意兩個相鄰節點之間，通過對其各自發出的光子之間做聯合貝爾測量，我們可以把相鄰的兩個原子系綜糾纏起來。在實驗中，兩個節點之間由300米光纖通道連接。圖中光纖的顏色由亮轉暗表示了通訊信道中的光子損失，中間的玻璃立方體是一個極化分束器，用作聯合貝爾測量。