中国科学家表现亮眼

深蓝色的畅想

我们已经知道，发展远程量子通信系统的挑战在于找到一种在不改变信号的情况下重复信号的方法，特别是创建基于量子存储器的量子中继器。

量子中继器包括基本链路的纠缠建立和后续纠缠交换过程。由于纠缠交换过程的成功概率是由量子光学基本原理确定的，而且一般难以提升，为了实现高速的量子中继通信，基本链路纠缠建立的成功概率就变得至关重要。

两个主要因素影响着这个成功概率的提升，一是量子纠缠源的发射概率，即一次纠缠光子发射，实际成功发射光子的概率。二是信道传输损耗以及探测器件损耗，光子发射后经历短程信道传输以及探测过程，会不可避免地引入损耗。

2021年6月，中国科学技术大学（以下简称中国科大）郭光灿院士团队给出了“中国科大”解决方案。他们首次实现基于吸收型存储器的量子中继基本链路，并展现了多模式量子中继的通信加速效果。这一成果登上了《自然》封面。

中国科大团队把量子光源划分为确定性量子光源和概率性量子光源。前者的发射概率原则上可达1，后者在实际使用时为了避免多光子噪声，保证纠缠保真度，发射概率一般控制在0.1以下。前文提到的两个制约因素中，第一个问题使用确定性光源即可解决，为了避免多光子发射事件，确定性光源一般要基于单量子系统实现，具体包括单原子、量子点、单个晶格缺陷等。解决第二个问题则需要引入与经典通信中类似的复用技术，即一次性存储多个光子，这要求基于原子系统的量子存储器。在基本链路的纠缠建立过程中，如果同时使用N个模式，则处于N个模式的光子只要有一个模式成功即可建立节点间的纠缠，可以大幅提高纠缠建立的成功概率并提升最终的纠缠分发的速率。

此前，有关量子存储器的研究主要聚焦于量子通信领域的应用，例如，基于多模式量子存储建立量子中继，从而构建远程的量子互联网，或基于超长寿命量子存储实现可移动的量子U盘。

我国科学家在量子存储器这一领域取得了一系列突破性成果。2021年4月，中国科大郭光灿院士团队把相干光存储时间德国研究人员创下的1分钟纪录提升至1小时，创造了新的世界纪录，这意味着量子U盘成为可能。2021年7月，清华大学段路明研究组首次在实验中借助对多谐振器系统的动态调控实现了对单光子水平微波脉冲的保相存储和读取，并利用此方法展示了对时分编码量子比特的按需存取。