清华大学的研究团队首次实现了量子中继协议中两个中继模

据清华大学消息，清华大学交叉信息研究所段课题组近期在量子信息领域取得重要进展。实验首次实现了量子中继协议中两个中继模块之间的高效纠缠连接，成功展示了量子中继模块连接效率的大规模提高。这一进展是实现实用量子中继的关键一步。

众所周知，光子在光纤中传播的指数衰减是实现长距离量子通信和大规模量子网络的主要问题，量子中继协议是解决光纤传播损耗的最佳方案。

2001年，段和他的合作者提出了著名的DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-佐勒)量子中继方案(《自然》，2001)，该方案利用原子量子存储器和单光子信道的结合，克服了光量子信号在光纤中的指数衰减，从而继续成为该领域的研究热点。经过世界各地研究团队近20年的努力，DLCZ量子中继协议的实验实现在许多方面取得了很大进展。

然而，作为量子中继协议中的一个关键步骤，如何通过量子存储器的存储将小规模中继模块与相邻中继模块有效连接，成为更大的中继模块，从而扩展量子纠缠在空间中的分布，由于实验技术的困难，尚未实现。

在研究过程中，首先，研究人员将超低温铷原子气体囚禁在一维光学晶格中，通过光泵制备出对磁场变化不敏感的时钟态原子，并精确控制施加在原子位置的磁场，成功地将冷原子量子继电器的相干时间提高到几十毫秒，保证了读取量子态的高保真度；其次，结合具有实时反馈的高速控制系统，通过在量子纠缠也发生时，将首先产生量子纠缠的中继模块存储到相邻的中继模块，实现相邻两个量子中继模块中量子纠缠的异步制备；最后，通过两个模块之间的纠缠交换，可以高效地连接量子中继模块。

这样，连接效率与单个模块中制备纠缠所需的时间成线性比例，与以往研究中不使用量子存储而在两个中继模块中同步制备量子纠缠所需的二次时间相比，在尺度上改变了连接效率的复杂度；同时，当单个量子中继模块的内部纠缠制备概率为0.1%时，这项工作可以将两个量子中继模块的纠缠连接效率提高353倍。当未来量子中继模块的数量从两个扩展到N个时，这种效率的提高对应于直接传输量子通信的量子中继的量子纠缠分布效率的指数级提高。

在本实验研究中，利用量子存储，首次实现了不同量子中继模块的按需纠缠连接，连接效率得到了大规模的提高，体现了量子中继对于远程量子通信的核心加速能力。

研究结果最近发表在国际学术期刊《自然 光子学》上。这篇论文的第一作者是蒲(现为清华大学因斯布鲁克大学博士后研究员)和博士生。作者是段教授。其他作者包括跨学科研究所的博士生蒋楠、常伟和李畅，以及博士后吴玉凯。该项目得到了国家重点R&D项目(项目编号2016YFA0301902)、北京量子信息科学研究所、教育部量子信息前沿科学中心、清华大学科研创业项目、清华大学水木学者计划和博士后国际交流计划。