近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子直播協(xié)議中兩個(gè)直播模塊之間的高效糾纏連接，成功展示了量子直播模塊連接效率的規(guī)模化提高。

　　這被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子中繼器的重要步驟。

　　光子在光纖傳播時(shí)的指數(shù)級(jí)衰減是長(zhǎng)程量子通信和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)過程中面臨的主要問題，量子中繼協(xié)議是解決光纖傳播損失的方案。

　　2001年，段路明與合作者提出了著名的DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子轉(zhuǎn)播方案，利用原子量子存儲(chǔ)器和單光子信道的結(jié)合，克服了光量子信號(hào)在光纖中的指數(shù)衰減問題，之后繼續(xù)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　經(jīng)過世界各國(guó)研究團(tuán)隊(duì)近20年的努力，DLCZ量子中繼協(xié)議的實(shí)驗(yàn)在許多方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

　　但是，作為量子直播協(xié)議中的重要步驟，也就是說，如何將小型直播模塊通過量子內(nèi)存的存儲(chǔ)，與相鄰的直播模塊高效地連接成為更大的直播模塊，擴(kuò)大量子糾纏在空間中的分布，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)技術(shù)方面存在的困難，還沒有實(shí)現(xiàn)。

　　第一次:中國(guó)實(shí)現(xiàn)量子轉(zhuǎn)播的重大突破。

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。

　　在研究過程中，首先，研究人員通過將超低溫、原子氣體監(jiān)禁在一維光晶格中，通過光學(xué)泵浦將原子制備在對(duì)磁場(chǎng)變化不敏感的鐘態(tài)中，正確控制在原子所在位置的磁場(chǎng)，將冷原子量子轉(zhuǎn)播的相關(guān)時(shí)間提高到幾十毫秒

　　其次，結(jié)合實(shí)時(shí)反饋的高速控制系統(tǒng)，將先產(chǎn)生量子糾纏的中繼模塊存儲(chǔ)到相鄰中繼模塊中，也產(chǎn)生量子糾纏時(shí)，實(shí)現(xiàn)了相鄰兩個(gè)量子中繼模塊內(nèi)部量子糾纏的異步制備，最后通過糾纏交換兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)量子中繼模塊的高效糾纏連接。

　　通過這種方式進(jìn)行糾纏連接，連接效率線性比單個(gè)模塊內(nèi)部糾纏制備所需的時(shí)間，與之前研究中未使用量子存儲(chǔ)的同步制備兩個(gè)中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏所需的二次方時(shí)間相比，連接效率在規(guī)�；�上的復(fù)雜性發(fā)生了變化

　　同時(shí)，單個(gè)量子直播模塊內(nèi)部糾結(jié)制備概率為0.1%時(shí)，可將兩個(gè)量子直播模塊糾結(jié)連接效率提高353倍。

　　未來量子中繼模塊從兩個(gè)擴(kuò)展到n個(gè)時(shí)，這種效率的提高對(duì)應(yīng)于量子中繼器直接傳輸量子通信在量子糾纏分發(fā)效率方面的指數(shù)水平的提高。

　　該實(shí)驗(yàn)研究通過使用量子存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了不同量子中繼模塊的按需連接，連接效率大幅提高，顯示了量子中繼器對(duì)長(zhǎng)程量子通信的核心加速能力。