Nature: 中国科学家实现纠缠量子记忆50 km传输

诸平

Fig. 1 Schematic of the remote entanglement generation between atomic ensembles. Credit: Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-1976-7

据鲍勃·伊尔卡（Bob Yirka）在物理学家组织网（Phys.org）2020年2月13日的报道，中国科技大学的研究人员与济南量子技术研究院（Jinan Institute of Quantum Technology）、中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的研究人员合作，已成功地通过50 km的盘绕光缆发送了纠缠的量子记忆。原子集合体之间远程纠缠生成的示意图见图1所示。相关研究结果于2020年2月12日已经在《自然》（Nature）杂志网站发布——Yong Yu, Fei Ma, Xi-Yu Luo, Bo Jing, Peng-Fei Sun, Ren-Zhou Fang, Chao-Wei Yang, Hui Liu, Ming-Yang Zheng, Xiu-Ping Xie, Wei-Jun Zhang, Li-Xing You, Zhen Wang, Teng-Yun Chen, Qiang Zhang, Xiao-Hui Bao, Jian-Wei Pan. Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres. Nature, 2020, Volume 578, Pages 240–245. Published: 12 February 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-1976-7

该联合小组在《自然》(Nature)杂志上发表的论文中描述了他们进行的一些实验，这些实验涉及长距离纠缠量子存储，克服了挑战以及仍有待解决的问题。

在过去的几年中，科学家们一直在致力于量子互联网的发展。虽然量子互联网与当今的网络几乎相同，但具有更强的安全性。一种这样的方法基于量子密钥的开发，该量子密钥将允许私人对话的各方知道入侵者正在监听，因为这样做会改变密钥的状态。但是在这样的系统中，需要测量密钥的量子状态，这可能会受到环境条件的影响，从而使该方法几乎不切实际。

另一种方法涉及使用纠缠的粒子来形成网络，但是由于此类粒子的灵敏度高且寿命短，因此已证明难以实施。但是此类研究正在取得进展，中国的研究人员成功地将量子记忆纠缠在距离20 km的建筑物之间，和在实验室跨越50 km的电缆绕线内。

第一个实验是基于使用处于期望的量子状态的小原子云（它表示一种存储状态）进行的，读写操作是使用光子完成的。为了进入记忆状态，研究人员迫使它们进入光腔，使光子与云中的原子相互作用。一旦设置了内存状态，云就会发出光子以宣布其就绪状态。

然后将该光子极化，使其携带有关存储器集合体状态的信息，这意味着它可以用于纠缠存储器。但是要防止其在传输过程中丢失，需要将其波长转换为光缆通信中常用的波长。正是在这一点上，内存已准备好通过电缆传输。事实证明，该过程的效率约为30％。第二个实验涉及从光子中仅创建两个量子位的内存，并将它们发送通过50 km的盘绕光纤。虽然说这两个实验都不可能导致量子互联网的创建，但是两个实验都表明中国科学家正在接近最终目标。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

一个连接远程量子处理器的量子互联网应该能够实现许多革命性的应用，比如分布式量子计算。它的实现将依赖于远距离量子存储器的纠缠。尽管取得了巨大的进展，但目前在两个节点之间实现的最大物理分离是1.3 km，更远距离的挑战仍然存在。但是，潘建伟研究团队演示了两个原子系统在一个实验室中通过城市级光纤的光子传输的纠缠。原子集合体就像存储量子态的量子存储器。他们使用空腔增强来有效地制造原子光子纠缠，使用量子频率转换来将原子波长转换为电信波长。通过双光子干涉实现了22 km以上的野外部署光纤的纠缠，并通过单光子干涉实现了50 km以上的盘绕光纤的纠缠。其实验可以扩展到物理上相隔相似距离的节点，从而形成原子量子网络的一个功能段，为在多个节点和更长的距离上建立原子纠缠铺平道路。

On the way to quantum networks

Abstract

A quantum internet that connects remote quantum processors1,2should enable a number of revolutionary applications such as distributed quantum computing. Its realization will rely on entanglement of remote quantum memories over long distances. Despite enormous progress3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, at present the maximal physical separation achieved between two nodes is 1.3 kilometres10, and challenges for longer distances remain. Here we demonstrate entanglement of two atomic ensembles in one laboratory via photon transmission through city-scale optical fibres. The atomic ensembles function as quantum memories that store quantum states. We use cavity enhancement to efficiently create atom–photon entanglement13,14,15 and we use quantum frequency conversion16 to shift the atomic wavelength to telecommunications wavelengths. We realize entanglement over 22 kilometres of field-deployed fibres via two-photon interference17,18 and entanglement over 50 kilometres of coiled fibres via single-photon interference19. Our experiment could be extended to nodes physically separated by similar distances, which would thus form a functional segment of the atomic quantum network, paving the way towards establishing atomic entanglement over many nodes and over much longer distances.