近日，清华大学交叉信息研究院濮云飞和段路明研究组，在冷原子系统中实现了12公里光纤长度上多模式增强的预报式原子-光子纠缠。该工作创造了多项城际（>10公里）量子互联网的世界纪录，包括城际距离上的原子-光子纠缠产生速率达到1.95kHz，城际距离上原子-光子纠缠产生速率和量子存储器退相干速率的比值达到0.46（信道效率），纠缠效率通过多模复用的增强倍数达到140倍（280模式）。特别值得关注的是，当未来使用两个此种量子中继节点来实现双节点网络时，信道效率可达到0.92，接近于信道效率大于1的扩展阈值。
量子网络和量子中继是未来实现超大规模量子计算、洲际量子通讯、全球量子互联网、超高精度量子精密测量的必经之路。量子网络规模扩展的难点在于，网络节点之间通过光子干涉产生预报式纠缠所消耗的时间必须小于量子网络节点的相干时间（即“信道效率”大于1），在这种情况下量子网络才能通过纠缠交换的方法实现规模扩展，以及有效利用多对（大于等于2）远距离量子纠缠。因此，信道效率大于1是量子网络扩展的条件。目前，信道效率大于1只能在实验室规模（光纤长度约为10m）的量子网络上实现。对于城际规模（光纤长度大于10公里）的量子网络，由于光在光纤中的传播时间限制，单次纠缠尝试所消耗的时间很长（约为百微秒量级）。因此而导致的低实验重复率极大地限制了远距离纠缠的产生速率，所以目前全世界已经实现的城际距离量子网络最高的信道效率也小于0.01。
图1.多模复用的量子中继架构。通过依次激发70个独立可寻址的空间阵列存储器单元，产生280个时分（time-bin）光子模式。光子模式通过波长转换装置转换为通讯波段，在经过12公里光纤传输后在探测器上被探测
濮云飞、段路明研究组通过对总共280个DLCZ量子存储器模式（70个独立可寻址的存储单元和4个不同的角度模式）的时分复用，将12公里的长光纤全部填满。在这种情况下，单次纠缠尝试所需要的时间从120微秒降低到850纳秒，将实验重复率提高了140倍，从而实现远程原子-光子量子纠缠的超快分发。信道效率达到目前世界最佳的0.46。同时这也是城际量子网络信道效率首次达到接近于1这个量级的里程碑。未来如果通过单光子纠缠的方式连接两个这种量子中继节点，可以达到0.92的信道效率，将有望达到城际量子网络的扩展阈值，使未来的多节点（>2）量子中继和量子网络成为可能。
图2.基于二维存储器阵列的实验装置，以及存储器和频率转换装置性能
图3.实验协议。在实验中，研究人员采取了严格的预报式纠缠协议，即存储器中存储的静态量子比特必须经过：（i）飞行量子比特（光子）在12公里光纤中传输并在探测器上被探测，以及（2）探测信号经过另一根12公里光纤返回存储器这两个过程（共计120微秒）之后，才会被读出。这个严格的协议是实用量子中继和量子互联网所必须的，但是对存储器的相干时间有很高的要求
濮云飞、段路明研究组通过对光子收集信号返回时间的反馈，可以准确定位出已产生纠缠的存储器地址和角度模式，并且可以在任意想要的时刻对已产生纠缠的存储器模式进行读出操作。这种按需读取的能力也是未来量子中继的必备功能，且因为难度较高，此前的实验很少能够实现。
图4.固定存储时间读取。信道效率达到0.46，同时量子关联性函数>2，展示出光子-原子之间的量子关联
图5.按需（非固定存储时间）读取。信道效率0.31。展示量子关联函数>2，展示光子-原子之间的量子关联
相关研究成果以“通过复用增强，快速传输12公里光纤中宣布式原子-光子量子相关性”（Fast delivery of heralded atom-photon quantum correlation over 12km fiber through multiplexing enhancement）为题，于11月27日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学交叉信息院博士后张胜和2022级博士生石纪轩为论文共同第一作者，段路明院士和濮云飞助理教授为论文共同通讯作者。其他作者还包括清华大学交叉信息院2021级本科生梁亦博、2023级博士生孙跃东和助理教授吴宇恺。研究得到科技创新2030、清华大学自主科研计划、教育部、清华大学笃实专项和启动经费、国家重点研发计划的资助与支持。
