中国科大首次实现全光量子中继

中国科技大学潘建伟教授及其同事陈玉傲、许进行了世界上第一次全光量子中继器原理验证实验，为长距离光纤量子网络的建设开辟了新的途径。这项成就最近发表在国际学术权威期刊《自然光子学》的网络版上。

在长距离量子通信过程中，信道传输的量子态随着通信距离的增加呈指数下降，极大地限制了量子通信的有效传输距离。如何实现远程量子通信一直是国际研究的热点。目前，主要有两种解决方案。一种是利用卫星来延长外层空间的量子通信距离，在外层空间几乎是真空，量子信号损失最小。中国于2016年成功发射了第一颗国际量子科学实验卫星墨子，成功验证了该方案的可行性。其次，在光纤网络中使用量子中继器来将长距离光纤信道分成距离相对较短的多个信道，从而量子信号不再随着距离的增加而指数衰减，从而扩展了量子通信距离。

鉴于量子中继器的重要科学和应用价值，国际上对量子中继器的研究竞争非常激烈。传统的量子中继器需要基于纠缠交换、纠缠纯化和量子存储。然而，目前的量子存储性能有限，实现实用的量子中继器还需要一些时间。这种全光量子中继方案理论上可以实现没有量子存储的量子中继器，为利用量子中继器实现长距离光纤量子通信网络提供了另一种原则上可行的方案。

图1:实验装置图

在这项工作中，研究小组首先改进了原来的全光量子中继方案，并设计了一个实验上可行的方案。在该方案中，研究团队利用光子GHZ态和后选择Bell测量来实现不同通道之间光子对的任意连接，从而有效提高量子通道中纠缠态的分布成功率。然后，利用6个独立的参量下转换双光子纠缠源，研究团队在实验中成功构建了基于12个光子的全光量子中继器，测试了量子中继器的各方面性能，并在实验中验证了其优于纠缠交换方案的优势。实验结果表明，全光量子中继器能够有效提高量子态的传输速率，从而扩大量子通信的传输距离。

这项工作成功地验证了全光量子中继器的可行性。原则上，量子记忆不再是构建量子中继器的必要条件，这为实际量子中继器的研究开辟了一条新的途径。

这项工作得到了科技部、国家基金委员会、中国科学院和安徽省的支持。

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