我国科学家率先实现全光量子中继

吴长锋

笔者从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟院士及其同事陈宇翱、徐飞虎等，在国际上首次实验实现全光量子中继器的原理性验证，为构建远距离光纤量子网络开辟了新途径。该成果于日前在线发表于《自然·光子学》上。

远距离量子通信过程中，信道传递的量子态往往随着通信距离的增加而指数减少，极大地限制了量子通信的有效传输距离。目前主要有两种解决方案：其一是在几乎真空，量子信号损耗极小的外太空，利用卫星扩展量子通信距离，“墨子号”量子科学实验卫星成功验证了这一方案的可行性。其二是在光纤网络中使用量子中繼器，将一段长距离光纤信道分割成多段距离比较短的信道，使得量子信号不再随距离的增加而指数衰减，从而扩展量子通信距离。

鉴于量子中继器的重要科学和应用价值，国际上关于量子中继器研究的竞争非常激烈。然而，目前的量子存储性能有限，实现实用化量子中继器还需假以时日。

研究团队首先对原始的全光量子中继方案进行改进，使用了光子GHZ态和后选择贝尔测量来实现不同信道间光子对的任意连接，从而有效地提升量子信道中纠缠态的分发成功概率。然后，再利用6个独立的参量下转换双光子纠缠源，在实验上成功地搭建了一个基于12光子的全光量子中继器，测试了该量子中继器的各方面性能，并在实验上验证了其相比于纠缠交换方案的优势。实验结果显示，全光量子中继器可以有效提升量子态的传输速率，从而拓展量子通信的传输距离。

该成果成功验证了全光量子中继器的可行性，在原理上使得量子存储器不再是搭建量子中继器的必要条件，为实用化量子中继器的研究开辟了新途径。