两个相距12.5 km的量子存储系统的纠缠

诸平

Image representing the nodes’ layout on a map. Credit: Luo et al.

据物理学家组织网（Phys.org）2022年8月16日报道，中国科学家证实两个相距12.5 km的量子存储系统的纠缠（The entanglement of two quantum memory systems 12.5 km apart from each other）。

量子计算技术可能比经典计算技术具有显著优势，包括更快的速度和处理更复杂问题的能力。近年来，一些研究人员也在探索建立“量子互联网”（"quantum internet"）的可能性，这是一个允许量子设备交换信息的网络，就像今天的经典计算设备交换信息一样。

量子互联网可以为许多量子技术应用打开迷人的可能性。例如，它可以实现更安全的通信、更精确的遥感和分布式量子计算网络。中国科技大学（University of Science and Technology of China）和济南量子技术研究所（Jinan Institute of Quantum Technology）的研究人员最近证实，在城市环境中，两个相距12.5 km的存储设备之间存在量子纠缠。相关研究结果于2022年7月28日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Xi-Yu Luo, Yong Yu, Jian-Long Liu, Ming-Yang Zheng, Chao-Yang Wang, Bin Wang, Jun Li, Xiao Jiang, Xiu-Ping Xie, Qiang Zhang, Xiao-Hui Bao, Jian-Wei Pan. Postselected Entanglement between Two Atomic Ensembles Separated by 12.5 km. Physical Review Letters, 2022, 129(5): 050503 – Published 28 July 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.050503. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.050503。这可能是迈向量子互联网发展的又一步。

开展该研究的研究人员之一包小辉（Xiao-Hui Bao音译）告诉Phys.org说：“2020年，我们发表了一篇论文（详见Yong Yu, Fei Ma, Xi-Yu Luo, Bo Jing, Peng-Fei Sun, Ren-Zhou Fang, Chao-Wei Yang, Hui Liu, Ming-Yang Zheng, Xiu-Ping Xie, Wei-Jun Zhang, Li-Xing You, Zhen Wang, Teng-Yun Chen, Qiang Zhang, Xiao-Hui Bao, Jian-Wei Pan. Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres. Nature, 2020, 578: 240–245. DOI: 10.1038/s41586-020-1976-7. Published: 12 February 2020. https://doi.org/10.1038/s41586-020-1976-7），展示了两个量子存储器通过50 km光纤链路的纠缠。在那个实验中，我们使用的两个记忆都位于一个实验室内，因此并不完全独立。我们研究的下一步是使这两个记忆完全独立，同时使它们之间保持很长的距离。”

在他们的实验中，包小辉和他的同事在城市环境中的不同位置引入了两个量子节点，将它们放置在彼此12.5 km的距离处。在第一个节点（称为节点A, Node A, 见图示）中，他们将第一个量子存储器与一个光子纠缠在一起。然后将该单光子( single photon)发送到节点B（Node B）并存储在第二个量子存储器中。

包小辉解释道：“通过这种方式，我们将两个遥远的量子记忆纠缠在一起。由于我们记忆中发射的光子是近红外（near infrared，795 nm），不适合在光纤中进行低损耗传输，因此我们利用量子频率转换技术将光子的波长改为1342 nm，从而显著提高了整体传输效率。”

虽然之前的一些研究已经证明了长距离的量子连接，但它们主要涉及纠缠光子的转移。另一方面，包小辉和他的同事建立了两个基于原子的量子存储设备之间的纠缠。

这可以实现多个不同节点之间的连接，这是建立可靠的量子计算网络的关键要求。

包小辉说：“我们最近工作的主要成就是，我们利用量子存储器实现了纠缠分布的最长距离。这种纠缠是构建量子网络和量子中继器的基本资源。”

包小辉和他的同事最近的工作是对量子互联网研究领域的显著贡献。他们展示了12.5公里处两个量子存储系统之间的纠缠，这可能是实现远距离安全量子通信的重要一步。

包小辉补充道：“在目前的实验中，产生的远程纠缠尚未被宣布，这限制了它的进一步应用。在不久的将来，我们计划实现一个预告版，同时我们还计划扩展节点数量。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

研究人员实现量子记忆的记录纠缠(Researchers achieve record entanglement of quantum memories)

Abstract

Quantum internet gives the promise of getting all quantum resources connected, and it will enable applications far beyond a localized scenario. A prototype is a network of quantum memories that are entangled and well separated. In this Letter, we report the establishment of postselected entanglement between two atomic quantum memories physically separated by 12.5 km directly. We create atom-photon entanglement in one node and send the photon to a second node for storage via electromagnetically induced transparency. We harness low-loss transmission through a field-deployed fiber of 20.5 km by making use of frequency down-conversion and up-conversion. The final memory-memory entanglement is verified to have a fidelity of 90% via retrieving to photons. Our experiment makes a significant step forward toward the realization of a practical metropolitan-scale quantum network.