近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進展，首次在實驗中實現(xiàn)了量子中繼協(xié)議中的兩個中繼模塊間的高效糾纏連接，成功展示了量子中繼模塊連接效率的規(guī)?；嵘?。

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這被視為實現(xiàn)實用化的量子中繼器的一個關(guān)鍵步驟。

據(jù)了解，光子在光纖中傳播時的指數(shù)級衰減是長程量子通訊和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程中面臨的主要問題，而量子中繼協(xié)議是解決光纖傳播損耗的最佳方案。

2001年，段路明與合作者提出著名的DLCZ(Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案，利用原子量子存儲器和單光子信道的結(jié)合，克服光量子信號在光纖中的指數(shù)衰減問題，之后持續(xù)成為該領(lǐng)域研究熱點。

經(jīng)過世界各國研究團隊近20年的努力，DLCZ量子中繼協(xié)議的實驗實現(xiàn)在許多方面已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。

但是，作為量子中繼協(xié)議中關(guān)鍵的步驟，即如何將小規(guī)模的中繼模塊通過量子存儲器的存儲，與鄰近的中繼模塊高效的連接成為一個更大的中繼模塊從而擴大量子糾纏在空間中的分布，因為實驗技術(shù)方面存在的困難，一直尚未實現(xiàn)。

實驗系統(tǒng)示意圖

研究過程中，首先，研究人員通過將超低溫銣原子氣體囚禁在一維光晶格中，通過光學(xué)泵浦將原子制備在對磁場變化不敏感的鐘態(tài)，并且精確調(diào)控施加在原子所在位置的磁場，成功將冷原子量子中繼的相干時間提升至數(shù)十毫秒量級并能保證讀取的量子態(tài)具有很高的保真度;

其次，結(jié)合實時反饋的高速控制系統(tǒng)，通過將先產(chǎn)生量子糾纏的中繼模塊存儲至相鄰中繼模塊也產(chǎn)生量子糾纏之時，實現(xiàn)了相鄰兩個量子中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏的異步制備;最后，在兩個模塊之間通過糾纏交換，實現(xiàn)量子中繼模塊的高效糾纏連接。

通過這種方式進行糾纏連接，連接效率線性正比于單個模塊內(nèi)部糾纏制備所需要的時間，與之前研究中未使用量子存儲的同步制備兩個中繼模塊內(nèi)部的量子糾纏所需要的二次方時間相比，改變了連接效率在規(guī)?；系膹?fù)雜度;

同時，當(dāng)單個量子中繼模塊內(nèi)部糾纏制備概率為0.1%時，可以將兩個量子中繼模塊糾纏連接的效率提高353倍。

當(dāng)未來量子中繼模塊從兩個擴展到N個時，這種效率提升對應(yīng)了量子中繼器對直接傳輸量子通訊在量子糾纏分發(fā)效率上的指數(shù)級提升。

該實驗研究通過使用量子存儲，首次實現(xiàn)了不同量子中繼模塊的按需式糾纏連接，且連接效率得以規(guī)?；嵘?，展現(xiàn)了量子中繼器對長程量子通信的核心加速能力。

實驗流程和量子中繼模塊的糾纏連接效率提升