濟南量子技術研究院與中國科學技術大學合作，首次完整實現了基于單光子幹涉的遠距離雙節點糾纏，並以此爲基礎構建了國際首個城域三節點量子糾纏網絡。該工作使得現實量子糾纏網絡的距離由以往的幾十米提升至幾十公裏，爲後續開展設備無關量子密鑰分發、盲量子計算、分布式量子計算、量子增強長基線幹涉等量子互聯網應用奠定了科學與技術基礎。相關研究成果于5月15日發表在國際學術期刊《自然》雜志上。

通過量子態的遠程傳輸來構建量子網絡是大尺度量子信息處理的基本要素。基于量子網絡，可以實現廣域量子密鑰分發以及分布式量子計算和量子傳感，構成未來“量子互聯網”的技術基礎。目前，基于單光子傳輸的量子密鑰網絡已發展成熟，而面向分布式量子計算、分布式量子傳感等進一步量子網絡應用，需要采用量子中繼技術在遠距離量子存儲器間構建量子糾纏，在此基礎上通過廣域量子隱形傳態將各個量子信息處理節點連接起來口總處理衛點趕妝起木。

爲在遠距離分離的獨立量子存儲器間建立糾纏，主要挑戰在于如何控制單光子相位。基于單光子幹涉的糾纏方案在糾纏速率方面有重大優勢，然而實驗難度非常高。糾纏過程中量子存儲的控制激光、頻率轉換泵浦激光、長光纖信道等帶來的細微相位抖動都會導致最終生成糾纏的退相幹。

爲解決這一難題，中國科學技術大學的團隊設計並發展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通過超穩腔穩頻來壓制控制激光線寬，其次通過光鎖相環來構建讀寫激光間的相位關聯，最後通過遠程分時相位比對來構建兩節點間的相位關聯。濟南量子技術研究院團隊基于長波泵浦方案，自主設計和研發了周期極化铌酸锂波導，在此基礎上構建高效率、低噪聲量子頻率轉換接口，完成铷原子工作波段到通信波段的量子態轉移。以此爲基礎，研究團隊構建了國際上首個城域三節點量子糾纏網絡。該網絡可以在任意兩個量子存儲器節點間建立糾纏。

圖：實驗節點布局示意圖。其中Alice節點位于中國科大東區、Bob節點位于合肥創新産業園、Charlie節點位于安徽光機所。

該工作使得現實量子糾纏網絡的距離由幾十米提升至幾十公裏，提升了三個數量級，爲後續開展分布式量子計算、分布式量子傳感等量子互聯網應用奠定基礎。該工作是國際首個城域多節點量子網絡實驗;與其他雙節點遠距離實驗相比，糾纏效率要高500倍以上。審稿人對該工作給予高度評價：“他們的成果開啓了量子互聯網研究的新篇章，爲未來大規模量子網絡鋪平了道路”。

《自然》雜志也在同一期發表了美國哈佛大學Lukin團隊的相關實驗進展，該團隊首次在SiV色心體系實現了雙節點遠距離糾纏。二者相比，中國科學技術大學的成果在糾纏效率方面有明顯優勢，比哈佛大學的工作高兩個數量級以上。

本項研究獲得了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院等的支持。

來源：濟南量子