【環球網科技綜合報道】5月17日消息，中國科學技術大學潘建偉、包小輝、張強等首次采用單光子幹涉在獨立存儲節點間建立糾纏，並以此爲基礎構建了國際首個基于糾纏的城域三節點量子網絡。該工作使得現實量子糾纏網絡的距離由以往的幾十米整整提升了三個數量級至幾十公裏，爲後續開展盲量子計算、分布式量子計算、量子增強長基線幹涉等量子網絡應用奠定了科學與技術基礎。

近日，相關研究成果在線發表在《自然》（Nature）上。

據介紹，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。

在量子隱形傳態方面，潘建偉團隊一直處于國際領先水平，先後實現了多終端、多體以及多自由度的量子隱形傳態，爲實現量子信息在量子網絡中的傳輸途徑奠定了技術基礎。在量子存儲與量子中繼方面，該團隊長期開展了相關研究。該團隊在國際上率先實現了具有存儲功能的穩定量子中繼節點；爲提升存儲壽命、讀出效率、糾纏制備概率等關鍵指標，該團隊發展了三維光晶格冷原子量子存儲、環形腔增強光與原子相互作用、裏德堡阻塞抑制高階激發等多項關鍵技術，不僅實現了綜合性能最優的冷原子量子存儲器，而且實現了確定性的光與原子糾纏制備。

在此基礎上，該團隊近年來在量子存儲網絡方向取得多項重要進展。2019年，該團隊通過三光子幹涉，實現了實驗室內三個冷原子量子存儲器間的糾纏，成爲首個可拓展距離的量子網絡原型。2020年，該團隊利用量子頻率轉換技術將量子存儲的出射光子波長由795納米轉換至1342納米，並結合單光子鎖相技術，實現了在實驗室內經由50公裏光纖連接的雙節點糾纏。

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具有優勢，但實驗難度非常高。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，該研究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。采用以上相位控制技術，並利用量子頻率轉換，該團隊實現了相距十幾千米遠的量子存儲器之間的糾纏。以此爲基礎，該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。

值得關注的是，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，爲後續開展分布式量子計算、分布式量子傳感等量子網絡應用奠定了基礎。該工作是國際首個城域多節點量子網絡實驗。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。”