近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。相关研究成果于近日发表在《物理评论快报》上，并被美国物理学会（APS）下属网站Physics报道。
量子网络的基本单元是远距离双节点纠缠。通过采用量子存储技术对光子进行存储，将使不同节点间的高效纠缠连接成为可能。构建存储器间纠缠并拓展节点间距一直是量子网络方向的研究热点。已实现的双节点纠缠实验中，最远直线距离仅为1.3公里。2020年潘建伟团队在此方向取得突破【Nature 578, 240 (2020)】，将双节点纠缠的光纤链路距离拓展至50公里。然而该实验中，两台量子存储器位于同一间实验室，并未实现长程分离。
为实现长程分离的存储器间纠缠，每个量子存储装置需能够独立操控。在该研究中，节点A位于合肥市创新产业园，节点B位于中国科大东区，二者之间由20.5公里的光纤进行连接。团队在节点A产生了具有长寿命的光与原子纠缠，并将产生的单光子经过频率转换后发送到节点B，节点B将收到的光子再次频率转换后采用另一台量子存储器进行存储。
研究团队采用激光冷却的铷原子进行量子存储，其光子波长为795纳米，并不适合在长光纤内传输。采用由济南量子研究院研制的周期极化铌酸锂波导，团队将光子波长转移至1342纳米，极大地降低了光子在长光纤内的衰减。该工作的另一难点在于长寿命量子存储，存储寿命需超过光子传输时间。为此，团队设计了一个新型的光与原子纠缠产生方案，在获得长存储寿命的同时，产生的光子比特编码在时间自由度上，非常适合频率变换以及远距离传输。
以此为基础，研究团队成功实现了独立存储器间的远距离纠缠。该工作为后续构建多节点量子网络原型系统、进行量子物理检验、探索器件无关量子密钥分发等应用奠定了基础。相关研究工作得到科学技术部部、安徽省、国家自然科学基金委、合肥国家实验室等的支持。
量子存储节点分布示意图
