相距50 km光纖存儲器間的量子糾纏獲得成功

濟(jì)南量子技術(shù)研究院量子探測與波導(dǎo)器件實驗室張強(qiáng)教授、謝秀平高工、鄭名揚(yáng)副研究員基于自主研發(fā)的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，助力中國科技大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊成功將相距50 km光纖的兩個量子存儲器糾纏起來，并演示了經(jīng)由22 km外場光纖的雙節(jié)點糾纏。該成果將實用化的量子中繼器向前推進(jìn)了一大步，為構(gòu)建基于量子中繼的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實基礎(chǔ)。相關(guān)論文近日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

構(gòu)建全球化量子網(wǎng)絡(luò)并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)量子通信是量子信息研究的終極目標(biāo)之一。目前最遠(yuǎn)的點對點地面安全通信距離僅為百公里量級，通過發(fā)展量子中繼技術(shù)，有望進(jìn)一步大幅拓展安全通信距離。

然而，受限于光與原子糾纏亮度低、原子存儲器波長與通信光纖不匹配和遠(yuǎn)程單光子干涉等技術(shù)瓶頸，此前最遠(yuǎn)光纖量子中繼僅為公里量級。針對上述技術(shù)難題，研究團(tuán)隊首先采用環(huán)形腔增強(qiáng)技術(shù)提升單光子與原子系綜間耦合，并優(yōu)化光路傳輸效率，將此前的光與原子糾纏的亮度提高了一個數(shù)量級；其次，原子存儲器對應(yīng)的光波長在光纖中的損耗約為3.5 dB/km，在50 km光纖中，光信號將衰減至十億億分之一，使得量子通信無法實現(xiàn)。張強(qiáng)教授團(tuán)隊自主研發(fā)的周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)，通過非線性差頻過程，將存儲器的光波長由近紅外轉(zhuǎn)換至通信波段，經(jīng)過50 km的光纖僅衰減至百分之一以上，效率相比之前提升了16個數(shù)量級；最后為實現(xiàn)遠(yuǎn)程單光子干涉，研究團(tuán)隊設(shè)計并實施了雙重相位鎖定方案，成功地把經(jīng)過50 km光纖傳輸后引起的光程差控制在50 nm左右。