中國科學家首次實現多模式復用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式復用的量子通信加速效果，并實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。

該研究由中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組完成，其成果于北京時間6月2日23:00在《自然》期刊以封面論文形式發表。

遠程量子糾纏傳輸是構建大尺度量子通信網絡的一項基本任務。而光子作為量子通信信道中的最佳載體，容易被光纖吸收或散射而呈指數衰減。比如，通過光纖向距離1000公里外的地方每秒發射100億個光子，300年才能接收到1個光子。就是說，光子通過光纖的直接傳輸距離被限制在數百公里。

為此，科學家提出量子中繼以實現遠程量子糾纏傳輸。這是指，將遠距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個臨近節點間建立可預報的量子糾纏，然后通過糾纏交換技術進行級聯，從而逐步擴大量子糾纏的距離。

量子中繼的核心在于量子儲存器，即將光子儲存起來而不改變其量子態。等到相鄰存儲器糾纏成功后，再執行下一步糾纏交換。

實際上，由于量子態的脆弱性，量子的存儲和讀取過程中不改變量子態十分困難。

到目前為止，已經在冷原子氣體和單量子系統中實現量子中繼的基本鏈路，但均采用發射型量子存儲器。發射型存儲器的糾纏光子是由存儲器直接發射出來的，其結構簡潔，但兼容性較差，難以同時滿足確定性量子光源及多模式復用這兩個量子中繼中關鍵的通信加速技術。確定性量子光源不存在多光子噪聲，其發射效率可以逼近100%。多模式復用與經典光通信中的復用技術原理類似，即并行使用不同的時間或頻率模式的光子來加快通信的速率。

使用吸收性量子存儲器可以克服這些問題。在基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源與量子存儲器相獨立，所以這種架構可以同時兼容確定性量子光源以及多模式復用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

一個基本鏈路由兩個分離的量子節點，以及中間站點貝爾態測量裝置組成。每個量子節點中除了“牛郎”、“織女”、量子存儲器之外，還各有一個糾纏光子對。

實驗中，每個糾纏光子對中的一個光子被量子存儲器捕獲并存儲，每個糾纏光子對的另一個光子通過光纖同時傳輸至中間站點“鵲橋”進行貝爾態測量，通過測量建立糾纏。

因此，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒見面的情況下成功建立糾纏。論文共同第一作者劉肖及胡軍說：“我們成功演示了4個時間模式的并行復用，獲得了4倍加速的糾纏分發速率，經過實驗驗證，通過貝爾態測量預報兩個節點之間的糾纏保真度超過80%。”

李傳鋒教授表示：“下一步，研究組將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。”