山西大学在冷原子系综中成功实现了量子存储的纠缠交换

近日，山西大学光电研究所王海教授、李淑静教授带领的研究团队在光学期刊Optica发表重要研究成果，在冷原子系综中成功实现了量子存储的纠缠交换，并借助空间复用技术将成功率提升三倍，这一突破向实用化量子中继器迈出了重要一步。

量子网络是量子信息领域的重要研究方向，可实现无条件安全的量子通信、分布式量子计算等应用。然而，受限于光子传输损耗，量子纠缠信号无法直接长距离传输。量子中继器通过分段建立纠缠并逐级扩展，成为解决这一问题的核心方案。其中，纠缠交换是中继器的关键操作，通过将两个独立纠缠对进行贝尔态测量，实现纠缠距离的拓展。但此前，由于自旋波读出效率低、存储时间短、背景噪声大等技术瓶颈，基于原子系综存储的纠缠交换未能实现。

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图1. 原子系综中量子记忆模式之间纠缠交换的原理图。(a) 纠缠产生，(b) 纠缠交换。

研究团队采用冷铷原子系综作为量子存储器，结合Duan-Lukin-Cirac-Zoller方案和腔增强技术，在12个空间模式上生成非经典关联的自旋波-光子对，每个模式上自旋波的恢复效率都在65%以上。通过精巧的光路设计，将这12个空间模式分成4组，形成4个多（3）模的光与原子量子界面。使用这些多路复用的量子界面，他们同时制备了两对原子记忆（自旋波）纠缠。通过对两对独立纠缠态进行贝尔态测量，将之前未纠缠的两个原子记忆模式投影到纠缠态，测得纠缠（concurrence）为0.0124 ± 0.0030，首次演示了原子系综存储器中纠缠交换的可行性。

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图2. (a)纠缠concurrence随存储时间的变化关系，(b) 纠缠交换成功几率随模式数的变化关系。

相关研究成果 “Entanglement swapping with spatially multiplexed modes in an atomic-ensemble quantum memory in a single excitation regime”发表在Optica上。博士生王敏杰为论文的第一作者，通讯作者为王海教授和李淑静教授，博士研究生焦浩乐、路迦进等人参与了该工作。该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、山西省“1331”工程重点学科建设基金、山西省基础研究计划、光量子技术与器件全国重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.539388