中国科大实现14.5公里远距离“物质纠缠”

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、周宗权、黄运峰研究团队原创性提出了基于时间测量的多模式量子中继方案，该方案不再要求一对光子同时到达中间站点，而是允许它们“一先一后”到达，通过精确测量其时间差来预报纠缠，并借助多模式量子存储实现任意延时纠缠光子的按需读取。相关研究成果7日发表于国际学术期刊《自然·光子学》。

量子中继是构建未来量子互联网的关键技术。由于量子信号在光纤中传输时会快速衰减，科学家通过量子中继将长距离信道分解为多段短程链路，分段建立物质纠缠态后再连接，从而克服光纤信道中的指数级损耗。

此前，量子中继协议主要分为单光子干涉和双光子干涉两类。单光子干涉仅需在中间站探测到一个光子，速率较高，但对信道相位抖动敏感，保真度受限；而双光子干涉需同时探测到一对光子，保真度高但速率低。速率与保真度之间的权衡，成为制约量子中继性能与应用的根本矛盾。

研究团队利用原创的时间测量多模式量子中继方案，成功结合了单光子干涉的高速率和双光子干涉的高保真度优势，实现了支持高速率、高保真的纠缠分发，并且直接兼容现有光纤网络基础设施。基于此，研究团队在安徽省合肥市成功建立了“星汉二号”多模式量子中继网络，这一系统纠缠保真度达78.6%，两个量子存储器的直线距离为14.5公里，不仅解决了量子中继协议中长期存在的速率与保真度这一两难困境，其纠缠分发速率超过此前的城域量子中继上百倍。

“我们通常把两个或多个宏观物质系统，如原子、离子、固体器件等之间形成量子纠缠态的现象称为物质纠缠。与光子纠缠不同，物质纠缠涉及具有静止质量的粒子或系统，其相干性更易受环境干扰，因此实现难度更大，但对构建量子网络、量子存储和量子计算具有重要意义。”李传锋介绍，这一工作实现了迄今为止公开报道中最远距离的物质纠缠，多模式复用技术有望成为未来量子网络的根本性技术路线。