潘建伟团队：国际首个城域量子纠缠触“网”可得！

在量子信息领域，纠缠是非常宝贵的资源。在量子通信领域，量子密钥分发就是利用纠缠的非定域性，通过比对发送方和接收方手中纠缠的测量结果，从而确定密钥的安全性；还有常常出现在科幻电影里的“瞬间转移”，从量子物理的角度看，就是“量子隐形传态”，这种实验的第一步就是需要发送方和接收方共享一对纠缠粒子，从而将粒子的“态”传输到远处的另一个粒子上。在量子计算领域，对纠缠态进行门操作，就可以实现复杂的计算。同时，保护量子计算中的纠缠，也是量子纠错、容错必须考虑的课题。2022年诺贝尔物理学奖的三位获奖者就是“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。

量子通信的核心任务之一是通过量子态的远程传输来构建量子纠缠网络。量子纠缠网络不仅可以用来实现超远距离的安全通信，也有望与量子计算、量子精密测量等相结合，并产生分布式量子计算、分布式量子传感等全新应用，甚至应用于其它相关领域，如构建超长基线光学天文望远镜、同步原子钟等。由于它具有的广阔应用前景，理所当然地成为了量子科技的重要发展方向之一。

在科学家规划的量子纠缠网络蓝图里，纠缠也扮演着重要的角色。和经典互联网相比，量子纠缠网络同样具有很多用来存储或操作的节点，以及连接节点的信道。但不同的是，它的信道传递的是纠缠光子，它的节点进行的是量子的存储和操作。所以，量子纠缠网络有望实现更高效、更安全的信息传输、存储和处理，以及更广阔的连接。

然而要构建大规模的量子纠缠网络，有许多问题需要解决。比如在实际应用中如何产生稳定的纠缠并进行传播，就有许多技术难点需要解决。而双节点到多节点的突破，就是一个重要的里程碑。

近日，中国科大的研究团队利用冷原子系综，采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个，使得量子纠缠网络实验的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展盲量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定基础。

该工作是国际上首个城域多节点量子纠缠网络实验，双节点纠缠生成速率与其他已经报道的实验相比高两个数量级。

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01

量子网络：基于量子存储的量子中继

目前国际上很多国家都已将量子网络研究作为国家战略。我国也已系统性地开展了天地一体化的量子保密通信研究和产业化。我们知道，在广域量子保密通信网络的蓝图里，卫星主要用来大尺度覆盖，就像交通网络里用来远程旅途的飞机 ，这就是我们的“墨子号”的主要目标之一 ； 而近距离的通信则需要地面上的光纤网络，如同城市间的大巴，地铁和公交。 中国在2017年9月正式开通的“量子保密通信京沪干线”就是这样一种城际线路，它实现了世界上最远距离的量子密钥分发干线。

可是，对于量子通信这样的大尺度量子信息处理来说，通过量子态的远程传输来构建量子纠缠网络是基本要素。而量子纠缠网络是构成未来“量子互联网”的技术基础。

目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，所谓量子密钥分发网络，就是说只能在两个节点之间传输点对点进行密钥分发。而根据科学家的规划，面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来，即量子纠缠网络。

因此，在这个阶段， 除了中国科大团队一直保持国际领先水平的隐形传态工作以外，还有一些至关重要的问题必须解决，比如基于量子存储的量子中继。

量子网络与经典网络展现出很大的区别。量子的特性给光纤远距离网络传输带来了挑战。光纤中的损耗不可避免，光纤中每传输约15公里，光子数就要损失一半，而量子通信的载体——单光子，又不能像经典通信那样简单的复制、放大，所以要在实际需要的距离、有效的时间内，得到所需要的量子比特，就需要一些“驿站”，也就是中继。

当然，经典通信也需要中继。无论经典网络还是量子网络，中继要做的事都是把长段的远距离传输变成分段传输。但经典中继一般是通过克隆-放大的方式，而量子中继的思路是什么呢？

一个比较自然的想法是，当两个节点距离比较远，可以将长距离划分成很多小段，然后向每个临近节点发送纠缠光子对。但是这种方法效率是很低的。

科学家想到可以在两点之间设立一个“缓存”，也就是量子存储器，把成功分发的光子存储起来，等所有的小段都成功分发好，再连接起来。理论上，这种方法建立的时间和距离呈多项式关系，是比较现实的勾连起量子纠缠网络的途径。

利用这种途径建立起来的纠缠，可以连接地面上的光纤城域网络，实现城际量子网络，进而有望与基于卫星的远距离自由空间量子信道相结合，构建起天地一体化的广域量子纠缠网络。

因此，基于量子存储的量子中继的研究也逐渐成为量子网络领域的重要研究热点。

02

量子存储的冷原子方案

事实上，量子存储可以在原子、离子、NV色心等多种体系里实现。2015年，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员在NV色心体系中创造了当时最远的光纤量子中继记录——1.7千米 [1]。但是，这个距离是远远不够城际通信的。

在几个有希望的体系中，冷原子体系在2020年取得了突破性进展。

中国科大的研究团队用冷原子系综进行了两节点的实验。他们先在每个节点产生原子和光子的纠缠，然后两个光子作为信使，被发送到中间的某个点进行联合测量。

在当时的实验中，为了突破存储器间的纠缠距离，研究团队主要做了三方面的工作：一，为了产生高亮度的光与原子的纠缠，发展了基于环形腔增强的量子存储技术，光与原子纠缠制备概率提升了一个数量级；二，针对光纤中光子损耗的问题，团队采用一种巧妙的的方法，将原本795nm的波长的光，利用团队自制的非线性频率转换波导，以33%的效率将其波长转换至1342nm的通信O波段，由于1342nm处于石英光纤中比较适宜传输的波长范围内，传输效率因此提升了7个数量级；三，最具创造性的，团队基于Duan-Lukin-Cirac-Zoller协议，利用光子的Fock态，也就是“有光子”状态和“无光子”状态来编码，这样，两边的光子只要有一个到达中继，就可以了，因为我们无法区分光子是从哪边来，所以等效的，两边的原子就可以纠缠起来。而此时，光子实际跑的距离只有原来的一半，损耗也就大大降低了。当然，这样的方案，会引入路径相位，对锁相技术提出了很高的要求。

当时，团队利用上面说到的单光子干涉方案，成功实现了50公里的室内光纤的两个冷原子系综量子存储之间的纠缠。虽然当时的实验还有一些不完美，比如，两台存储器实际是被安放在同一个实验室里的，实际距离并不遥远等等，但是50公里这样的距离突破，已经证明城际距离的量子纠缠网络有了实现的基础。

与2015年荷兰小组的NV色心中的工作相比，2020年中国团队的工作不仅将纠缠距离大幅扩展，并且还将纠缠成功率提高了5个数量级。工作发表于《Nature》 [2]。

03

从双节点到三节点

完成双节点实验之后，下一步就是要朝着多节点的方向走，因为实际的量子互联网不会只有两个用户端，想要成为真正的“网”，必须要多节点。

近日发表在《Nature》上的工作，第一次在城际距离的规模下，将纠缠节点数目拓展到了三个 [3]。

其实，早在2019年，第一个实验室内的三节点量子纠缠网络就出现了。当时，中国科技大学团队利用三光子干涉，就已经将三个原子系综的量子存储器纠缠起来 [4]；2021年，荷兰的代尔夫特理工大学团队在NV色心中实现了三个量子存储器的纠缠，而且，量子存储器中的量子态寿命更长 [5]。但是，这些成果中，纠缠距离都没有 在城域网上进行现场实验 。

而在此次报道的工作中，三节点网络以星形拓扑排列，由三个存储器节点(Alice, Bob和Charlie)和一个服务器节点组成。这三个量子节点位于合肥市一个边长为7.9公里至12.5公里的三角形的三个顶点上，并独立运行。服务器节点大约位于三角形的中心，并通过光纤与每个量子节点相连。

▲本工作研究的多节点量子网络的布局。三个标记为Alice、Bob和Charlie的量子节点和一个服务器节点分别位于合肥市的四个实验室。紫色线代表光纤连接(表示长度)，黑色线表示量子节点之间的物理距离。三个节点的原子团代表本工作采用的基于冷原子系综的量子储存。

与之前的工作一样，研究人员将铷原子系综作为长寿命量子存储器，且使用Duan-Lukin-Cirac-Zoller协议，产生原子-光子纠缠。然后，光子被发送到服务器节点进行纠缠，而原子的量子比特则被存储在节点，以供后续应用。每个量子节点也都配备了一个量子频率转换（QFC）模块帮助铷共振的可见光子转换波长，减少损耗。在单光子方案下，光子到达中间的节点之后，将被擦除路径信息，探测器探测到光子，意味着两边的原子系综就进入了纠缠态。在这个方案里，关键的点在于纠缠过程中积累的光相位差要非常稳定，其中，最主要的是独立节点之间激光器的相位差（包括纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光），其次是两个光纤通道的相位差。为此，研究人员发展、完善、使用一系列远程相位稳定方法，打了一套漂亮的组合拳，进一步实现相位控制精度达到17度。这种方法不需要引入额外的光纤和硬件资源。经弱场方法验证，Alice和Bob之间产生了远程纠缠，并且，远程纠缠存储了107µ s，超过了量子存储器和服务器节点之间的往返传输时间。

Alice和Bob之间产生远程纠缠之后，我们需要把Charlie加进来。研究人员按上述方法在AB、AC、BC之间都产生纠缠，并且设计了一种模拟场景——在中继的节点配备一个多输入-双输出的光开关，以5.8秒为间隙，利用量子随机数生成器(QRNG)动态地、随机地切换成其中某个用户对，就好像真实世界中发生的请求那样，随机将三个用户中的两个分配给探测器。然后在频繁的切换中，检测纠缠的效果。实验证明，Alice和Bob之间的纠缠态与固定连接情况下产生的纠缠态相当，但源于实验缺陷，其他链路中纠缠质量有所降低。不过，这些不完美未来也有方案可以改进。

利用这种架构，远程纠缠被生成扩展到网络中的所有三个链路，也就是说，该网络可以在任意两个节点间建立量子存储纠缠。

这项工作，意味着基于城域量子纠缠网络的首次实现。未来，科学家还将通过一系列升级措施，提高纠缠质量、更好的进行纠缠验证、延长纠缠存储时间。如果纠缠产生的速度比纠缠丢失的速度快很多，这种基于量子中继协议的城域量子纠缠网络就有望迈向更大尺度。

参考文献

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