量子通信实验领域的重大突破－中国科学家实现基于冷原子量子存储的量子中继器

       8月28日出版的国际著名科学期刊《自然》发表了中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等完成的题为“量子中继器实验实现”的重要研究成果。在该工作中，他们利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。

　　目前，高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。然而，作为量子通信的基本资源，脆弱的纠缠光子极易被信道吸收，造成信号随通信距离指数衰减、误码率提高进而导致通信失败。因此，目前量子通信的距离被限制在100公里的量级。类比于传统的电子通信中为了补偿电信号衰减而进行整形和放大的电子中继器，奥地利科学家在理论上提出，可以通过量子存储技术和量子纠缠交换和纯化技术的结合来实现量子中继器，从而最终实现大规模的长程量子通信。尽管潘建伟及其奥地利的同事已经分别在1998年和2003年在实验上实现了纠缠交换和纠缠纯化，但是，量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。为了解决量子存储问题，国际上人们做了大量的研究工作。比如段路明及其奥地利、美国的合作者就曾于2001年提出了基于原子系综的另一类量子中继器方案。由于这一方案具有易于实验实现的优点，受到了学术界的广泛重视。然而，随后的研究表明，由于这一类量子中继器方案存在着诸如纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问题，无法被用于实际的长程量子通信中。

　　为了解决上述困难，潘建伟、陈增兵和赵博等在理论上提出了具有存储功能的，并且对信道长度抖动不敏感、误码率低的高效率量子中继器方案（相关工作发表在《物理评论快报》上）。同时，中国科大潘建伟小组及其德国、奥地利的同事经过多年的合作研究，在逐步实现了光子-原子纠缠、光子比特到原子比特的量子隐形传态等重要阶段性成果的基础上（先后已有四项相关实验工作发表在《物理评论快报》或《自然物理》上），最终实验实现了完整的“量子中继器”基本单元。由于量子中继器实验实现在量子信息研究中的重要意义，《自然》杂志为此专门向科学新闻媒体发布了题为“量子推动 (Quantum Boost)”的新闻稿，称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。 

《自然》论文：

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

Nature, DOI: 10.1038/nature07241.

 量子中继器实验原理图图注：

在量子网络中，每个节点由磁光阱制备的冷原子系综组成，这些原子系综用作量子存储器。每个原子系综跟它自己发出的一个光子形成一个最大纠缠态。在任意两个相邻节点之间，通过对其各自发出的光子之间做联合贝尔测量，我们可以把相邻的两个原子系综纠缠起来。在实验中，两个节点之间由300米光纤通道连接。图中光纤的颜色由亮转暗表示了通讯信道中的光子损失，中间的玻璃立方体是一个极化分束器，用作联合贝尔测量。