喜报频传！潘建伟团队实现现实条件下最远距离的量子纠缠

今天，中国科学技术大学潘建伟团队再传喜报，该团队的最新成果以《分隔12.5公里的两个原子系综之间的后选择纠缠现象》[1]为题发表在物理学顶刊《物理评论快报》上。论文中，研究人员展示了一对相隔12.5公里的纠缠量子存储器的光学连接，实现了迄今为止最远的物理距离。今年早些时候的另一项研究[2]实现了33公里的量子纠缠，但他们是在实验室环境中进行的，而此次是在城市环境中进行的。

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相隔12.5公里的量子存储器间建立纠缠

量子互联网有望实现安全通信、精确传感和分布式量子计算，实现这一梦想的进展通常是以量子信息通过光纤/卫星连接共享的距离来衡量。

新的实验在两个基于原子的存储器之间建立了纠缠。该论文作者、中国科学技术大学教授包小辉说[3]：“在以前使用卫星或光纤实现纠缠分发的过程中，与其他链路的进一步连接是具有挑战性的，相比之下，在量子存储器中存储信息为通过链接网络分发纠缠提供了一个‘缓冲区’。”

包小辉，中国科学技术大学教授

在该团队的实验中，存储器的组成元素都是原子气体，它们以自旋波的形式存储信息，成功在两个物理上相隔12.5公里的原子量子存储器之间建立了“后选择纠缠”，存储时间长达≈100μs。

第一个节点中建立了原子-光子纠缠：信息被“写入”一个光子中，这个光子被降频并通过20.5公里的商业光纤网络低损耗地传输到第二个存储元件。最终的纠缠被验证为具有90%的保真度，为实现城域规模的量子网络迈出了重要一步。

城市环境中12公里量子纠缠实验布局。上：存储节点（A和B）的鸟瞰图，这些节点相距12.5公里，并与20.5公里的光纤连接（17公里与3.5公里长的光纤环路一起部署）。每个节点都包含一个87Rb原子和一个量子频率转换器。中：实验原理图；下：相应的电平方案。

在这些步骤中，研究人员克服了几项挑战，包括在两个遥远的实验室中同步泵浦激光器。下一步的工作将是通过“预示”（heralding）信号来告诉研究人员何时建立纠缠（当前的方法涉及“后选择”，其中纠缠是通过测量来验证的）。

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研究一大特色：在实验室外环境演示

除此之外，光子盒曾在7月初报道过在《自然》杂志上的另一项研究：来自德国、奥地利、中国的联合团队通过长度达33公里的光纤链路，展示了两个远程量子节点之间的纠缠分发——铷（Rb）原子在相距400米的位置实现了独立捕获和操纵。结果表明，在电信光纤链路上进行纠缠分发是可行的。但他们是在实验室环境中进行的，而不是在城市环境中。因此，潘建伟团队通过创造现实条件下的最远纠缠距离，为城域量子网络打下了基础。

33公里的纠缠实验。（右）实验装置示意图。每个节点位于相距400米的建筑物中，单个铷原子被加载到光学偶极子陷阱中；（左）长度为L=6、11、23和33公里的测量设置组合和光纤配置节点中相关测量结果的概率。在33公里的长度时，成功概率为η=1.22×10−6，重复率为R=9.7kHz；所有测量保真度都明显超过了0.5的界限，因此清楚地见证了纠缠态。

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050503

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04764-4

[3]https://physics.aps.org/articles/v14/s75