潘建伟团队实现50公里远的量子存储器纠缠，超纪录37倍

中国科学技术大学近日演示了两个量子存储器相距50公里的纠缠，为解决大规模量子互联网的关键技术问题提供了思路。此前，两个固定节点之间的量子纠缠始终无法超越1.3公里的距离。

相关论文于2月13日凌晨发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志上。中科大教授潘建伟、包小辉、张强为文章的通讯作者。

量子是物理学中不可再分的基本单元，比如，光子就是量子性的，不存在“半个光子”的说法。在这个微观世界里，科学家们发现了许多奇妙的特性，量子通信、量子计算等概念基于此发展起来。

量子纠缠就是其一，爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行测量），另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。

虽然理论上是这样，但如果要建成大规模的量子互联网络，保证两个遥远的节点保持这样精妙的纠缠态，仍存在许多技术上的挑战。

自上个世纪70年代以来，物理学家们开始尝试远距离量子纠缠分发，即把处于纠缠态的光子分发到两处。

早在2005年，潘建伟团队就在合肥大蜀山实现了13公里的量子纠缠分发。2012年，该团队又在青海湖实现了首个超过102公里的量子纠缠分发实验。2017年，利用世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”，他们创下了世界量子纠缠分发距离的纪录，达到1200千米。

不过，这样的星地量子纠缠分发造成的传输损耗很大，在实际应用上有很大挑战。若要让光子在远距离光纤上传输，也会出现严重的损耗，限制分发的成功率。

论文提到，一个解决方案是，在两个远距离节点上各自制备量子存储器（某种可以储存量子态的物质）和一个光子的纠缠，再把这两个光子传输到一个共同的中间节点。对这两个光子进行适当的测量操作后，就能把原节点上的两个量子存储器投射成远程纠缠态。

通过中间节点实现两个原子团簇的远距离纠缠

此前，国际科学家们曾用原子团簇、原子、金刚石中氮空位色心、离子阱等系统作为量子存储器进行操作，但最好的结果也只有1.3公里。

论文指出，想把纠缠距离拓展到城际规模，存在三个主要的挑战。一是获得“明亮”（即有效）的物质-光子纠缠，二是减少传输损耗，三是实现长距离光纤中稳定的高可见干涉。

针对以上挑战，研究团队利用一种名为腔增强的量子效应来制备明亮的原子团簇和光子纠缠。他们在中科大校园内设置了两个这样的节点，再把两个信使光子通过两条平行的11公里长光纤传输到中间节点——合肥软件园。

为了减少传输期间的光子损耗，研究团队利用量子频率转换技术，将光子从近红外频率转换为适合于电信传输的频率。最后，他们在双光子干涉机制下实现了两个量子节点的纠缠，等于说跨越了22公里。

接下去，中科大团队又更进一步，在单光子干涉机制下，让两个由50公里长光纤连接的节点实现了纠缠，达到了城际尺度。

论文乐观地判断，把更多类似距离的节点连接起来，这个实验就可以拓展成一个量子网络的功能单位，为建立大规模的量子互联网做好了铺垫。