2月13日讯，记者从济南量子技术研究院获悉，济南量子技术研究院量子探测与波导器件实验室教授张强、高工谢秀平、副研究员郑名扬基于自主研发的周期极化铌酸锂波导，助力中国科学技术大学潘建伟院士团队成功将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，并演示了经由22公里外场光纤的双节点纠缠。据悉，该成果将实用化的量子中继器向前推进了一大步，为构建基于量子中继的量子网络奠定了坚实基础。相关论文近日发表在国际权威学术期刊《自然》上。

这是中国科大2020年的第二篇自然(Nature）或科学（Science）正刊——1月23日，中国科大陈仙辉与其他高校合作者，首次在本征磁性拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应，其实现温度可达到1.4K。文章刊登于《科学》。

据介绍，构建全球化量子网络并在此基础上实现量子通信是量子信息研究的终极目标之一，国际学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道实现广域大尺度覆盖，通过光纤网络实现城域及城际的地面覆盖。目前最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级，通过发展量子中继技术，级联各段点对点量子通信，有望进一步大幅拓展安全通信距离，并使得构建全量子网络成为可能。

然而，受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配和远程单光子干涉等技术瓶颈，此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题，研究团队在以下三方面开展了技术攻关：首先采用环形腔增强技术来提升单光子与原子系综间耦合，并优化光路传输效率，将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级；其次，原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为3.5dB/km，在50公里光纤中，光信号将衰减至十亿亿分之一（10^-17.5），使得量子通信无法实现。特别的，基于济南量子技术研究院张强教授团队自主研发周期极化铌酸锂波导，通过非线性差频过程，将存储器的光波长由近红外（795 nm）转换至通信波段（1342 nm），经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上，效率相比之前提升了16个数量级；最后为实现远程单光子干涉，研究团队设计并实施了双重相位锁定方案，成功地把经过50公里光纤的传输后引起的光程差控制在50nm左右。

量子通信依赖于量子纠缠，这是爱因斯坦所说的一种“远距离的幽灵行为”：两个粒子变得密不可分地相互联系并相互依赖，即使它们不在同一地方。

连接远程量子处理器的量子网络能够促成许多革命性的应用，比如分布式量子计算。但它的实现取决于远程量子存储器在长距离上的纠缠。尽管取得了进步，但之前在两个节点之间实现的最大量子存储器纠缠距离是1.3公里，长距离挑战依然存在。就光子粒子的纠缠而言，过去已经在空旷的太空和光纤上进行了较大距离的纠缠，但是添加量子内存会使过程变得更加复杂。研究人员认为，另一种方法可能更好：原子-光子在连续节点上的纠缠，原子是节点，光子则传递信息。换句话说，光子纠缠在一起，其中原子物质被添加到混合物中以产生额外的效率，可靠性和稳定性。有了正确 的节点网络，与仅仅使用光子的纯量子纠缠相比，这可以为量子互联网提供更好的基础。

远程纠缠生成的示意图

潘建伟团队利用光子传输成功实现了两个原子团的纠缠。原子集合体充当存储量子状态的量子存储器，使用腔增强技术有效地创建原子-光子缠结。研究人员通过单光子干扰和纠缠，实现了50多公里的远程量子存储器纠缠。

原子-光子纠缠的层析成像

在该实验中，用于量子存储的两个存储单元是铷原子，其被冷却至低能态。当与纠缠的光子耦合时，它们各自成为纠缠系统的一部分。其难度在于，光子在原子之间移动所需的长度越长，该系统受到干扰的风险就越大，这就是为什么这个新记录如此令人印象深刻的原因。

距离极大改善的关键是一种称为腔增强的技术，该技术可减少纠缠期间的光子耦合损耗。 简单来说，这是通过将量子存储原子置于特殊的环中来进行的，从而减少了可能干扰并破坏存储的随机噪声。腔具有增强量子信息检索的额外好处。

由腔增强产生的耦合原子和光子组成节点。然后，科学家将光子转换为适合于通过电信网络进行传输的频率，在这种情况下，这种频率相当于一个城市大小的电信网络。

该实验可以扩展到物理距离相近的节点，形成了原子量子网络的功能部分，从而为在许多节点和更长的距离上建立原子纠缠铺平了道路。

纠缠距离扩大到城市规模

潘建伟表示： “这项研究的主要意义在于将量子存储器之间的（光纤）纠缠距离扩大到城市规模。”

潘建伟的团队之前创造了量子纠缠记录。2017年，科学家们在1200公里的距离内，在卫星和地球之间传输纠缠的光子。该卫星系统在太空中运作良好，但在地球大气中受到一些干扰，而光纤电缆可以减少信号损失。

尽管量子内存可能与经典物理学中的计算机内存等效，但量子版本应该能够做更多的工作：在更快的时间内处理更多信息，并解决当前计算机之外的难题。

就数据的传输而言，量子技术有望提高传输速度，并利用物理定律本身确保数据传输的安全，只要我们能够使它以长距离可靠的方式工作。

通过多种前沿技术的结合，研究团队最终实现了经由50公里光纤传输的双节点纠缠，并演示了经由22公里外场光纤的双节点纠缠。该工作得到《自然》审稿人的高度评价“该结果是非常杰出的，向实现量子中继方向迈出了重要一步”，“将这些操作拓展至城域距离是本领域的一个重大进展”。

该工作得到《自然》审稿人的高度评价“该结果是非常杰出的，向实现量子中继方向迈出了重要一步（these are certainly outstanding results, and steps forward for the work that needs to be carried out to implement quantum repeaters）”，“将这些操作拓展至城域距离是本领域的一个重大进展（bringing the operation of these systems to metropolitan distances is a major advance on the field）”。

该工作得到山东省重点研发计划项目、济南高新区管委会的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-1976-7