科研进展 | 清华大学、合肥国家实验室：向大规模量子中继器网络迈出重要一步

在量子信息科学中，在遥远各方之间分发量子纠缠是一项重要但艰巨的任务，虽然可以实现许多应用，但在量子信道中会遭受指数式衰减。量子中继器是实现上述目标的最有前途的方法之一。在量子中继器协议中，每个基本链路内的纠缠生成速度必须比存储器退相干率更快，到目前为止，这一严格的要求尚未在大都市规模的光纤上实施。

11月27日，清华大学、合肥国家实验室的研究人员在《Nature Communications》上发表题为“Fast delivery of heralded atom-photon quantum correlation over 12 km fiber through multiplexing enhancement”（通过多路复用增强在12公里光纤上快速传递预报原子-光子量子关联）的研究论文。Sheng Zhang、Jixuan Shi为论文共同第一作者，段路明院士、濮云飞助理教授为论文共同通讯作者。

在这项工作中，研究人员实验实现了在12 km光纤上预报原子-光子量子关联的多路复用增强生成。他们连续生成了280对的原子-光子量子关联，一连串填满长光纤的光子时间仓脉冲，并在成功预报后以固定或可变的存储时间按需读出激发的存储器模式。通过多路复用增强，原子-光子关联的预报率可以达到1.95 kHz，对于12 km的光纤长度，量子关联生成速率与存储器退相干率的比值可以提高到0.46。因此，这项工作是实现大规模量子中继器网络的重要一步。

背景

量子中继器是在两个遥远的位置之间分配量子纠缠的最有前途的方法，可用于量子通信、网络化量子传感和分布式量子计算等各种应用。最近，在这个方向上取得了许多成就。量子中继器基本链路中的预报纠缠生成已在长短不一的情况下实现。两个原子-光子纠缠的存储器增强连接和3节点量子网络最近也已实施。此外，采用无存储器的量子中继器方法也取得了许多成果。

量子中继器扩展的一个关键要求是，每个基本链路中纠缠生成的预期时间成本应短于存储器相干时间，进而令不同步纠缠基本链路之间的同步和连接成为可能。这一要求为量子存储器在相干时间方面的性能以及以高效率连接原子-光子纠缠或关联的能力设定了严格的标准。定量表征在存储器相干时间内提供量子纠缠的能力的品质因子是量子链路效率η_link定义为：

其中，T_coh是存储器相干时间，T_ent是在基本链路中生成原子-原子纠缠的预期时间成本，L是存储器和中心检测站之间的距离（基本链路长度的一半，见图1a,b），c是光纤中的光速，N是通过多路复用的有效增强，p是每次试验的成功概率（请注意，这里p=pc×η，其中pc是内禀激发概率，η是通道和检测的整体效率）。多路复用增强N的另一种解释是，借助多模量子存储器，可以用新生成的远程纠缠替换早期生成的远程纠缠，从而有效地将T_coh延长N倍。有人认为，量子纠缠的确定性传递的阈值是η_link≳0.8313。（直观地说，使用η_link=1，则在相干时间内可以生成高概率的纠缠，但在最终输出之前会出现明显的退相干，因此可以实现略高于阈值0.5的平均保真度。因此，要想实现0.5的平均保真度，则需要略低的链路效率，即η_link≈0.83。）还值得注意的是，η_link是使用单光子干涉时，在L上的存储器相干时间内生成的预报原子-光子关联预期数量的两倍（通过在检测站接收来自两个检测器的点击）。如方程所示，改进N、p和T_coh至关重要，能够实现更高的η_link。

这一要求已经在实验室尺度（~10 m）上得到满足，但如果基本链路达到城域尺度（L > 10 km），则尚未实现，因为长距离的重复率和成功概率明显较低。由于飞行量子比特和预报信号需要经历2L/c（>100 μs，参见图1a,b）的往返行程，为了预报每次激发试验中纠缠生成的成功，在纠缠生成阶段，重复频率被限制在<10 kHz。为了实现更快的重复，进而提高纠缠生成速率，本文提出并实现了多路复用量子中继器。最近，稀土离子系综证明了50 m光纤中62个模式的显著增强，而对于较长的光纤长度，需要提高相干时间（~25 μs）。另一种方法是提高每次试验中的成功概率p，并加强在腔增强和里德堡阻塞方面的努力。最近已经证明朝着这个目标前进。腔增强囚禁离子系统可以在25 km光纤上的存储器相干时间内生成约0.35个预期的原子-光子纠缠。同时，不需要的自发发射和腔抖动等问题限制了预报光子的不可分辨性，将来需要对其进行抑制，以保证高质量的离子-离子纠缠，而不会显著降低效率。在此之前，在光纤长度超过1 km时的预报纠缠生成的最高量子链路效率η_link仍然低于0.01。

实验方案

实验中，研究人员采用了多路复用增强的Duan-Lukin-Cirac-Zoller（DLCZ）量子存储器协议，通过空间和角度维度的结合，构建了一个10×10的空间多路复用存储器阵列。每个存储单元是一个Rb-87原子的微集合，这些原子是单个自由膨胀原子云的不同部分。通过光学泵浦和微波π脉冲将原子从|5S1/2, F = 1, mF = +1⟩跃迁到|5S1/2, F = 2, mF = 0⟩，然后通过自发拉曼跃迁在795 nm信号光子和集体原子激发（自旋波）之间创建量子关联。

实验中，研究人员逐个地址写入光束激发70个存储单元，每个存储单元的切换时间为1.7μs。在每个存储单元的激发过程中，基于两个时钟态|g⟩=|5S1/2，F=2，mF=0⟩和|s⟩=|5S1/2，F=1，mF=0⟩，通过自发拉曼跃迁在795nm信号光子和集体原子激发（自旋波）之间创建量子关联。每个信号模式通过信号AOD同时传输，但在空间上被分离，并通过不同长度的延迟光纤进入单个光纤中的4个连续时间二进制模式。

通过这种方式，可以生成280个时间二进制信号模式和相应的自旋波模式之间的量子关联，280个信号模式逐一进入同一光纤。信号模式在795纳米处进一步通过PPLN（周期性极化铌酸锂）波导，并通过对频生成（DFG）转换为1546纳米。转换效率和噪声计数在图2e中展示。时间二进制转换的信号模式进一步通过12km光纤传输到检测站，信号模式在超导纳米线单光子探测器（SNSPD）处转换为TTL（晶体管-晶体管逻辑）脉冲。

为了通知存储器，将TTL脉冲转换为光脉冲并通过E/O转换器发送回存储器，经过另一个12km光纤。到达存储器后，它们被转换回TTL脉冲。FPGA控制单元接收到先导信号，并根据TTL到达时间识别哪个自旋波模式（空间和角度）被激发，并读取相应的自旋波模式到闲置光子，这可以用于验证远距离量子关联或进一步连接相邻中继器段。这个协议模拟了实际协议中远程原子-光子量子关联的先导生成，可以进一步用于通过单光子干涉在基本中继链路中生成原子-原子纠缠。

图1：实验装置和方案。

图2：构建具有280个模式的多路量子中继器节点。

图3：具有280个时间仓模式的远程预报。

图4：当存储时间固定时的协议和结果。

图5：当检索时间被用户定义时的协议和结果。

图6：未来原子-原子纠缠的保真度和成功概率。

主要研究人员

段路明，中国科学院院士，清华大学姚期智讲座教授，清华大学基础科学讲席教授，主要从事量子计算机、量子网络方、量子模拟、量子人工智能向的研究。曾获中科院院长特别奖、全国优秀博士论文、饶毓泰基础光学奖、霍英东青年研究奖、中科院自然科学二等奖和国家自然科学二等奖。2004年获美国斯隆研究奖，2005年获海外华人物理学会杰出研究奖，2009年当选美国物理学会会士。

濮云飞，清华大学交叉信息研究院助理教授。研究方向包括离子阱量子网络、冷原子量子中继、非线性光学。

吴宇恺，清华大学交叉信息研究院助理教授。研究方向包括量子计算的物理实现、量子信息。

参考链接

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-024-54691-3

[2]https://iiis.tsinghua.edu.cn/zh/luming/

[3]https://iiis.tsinghua.edu.cn/zh/puyunfei/

[4]https://iiis.tsinghua.edu.cn/zh/wyk/