清华大学量子信息中心段路明教授研究组在量子中继网络领域取得重要进展，首次实现了两个处于不同实验平台的多路复用原子存储器间的量子通信，这一成果展现了利用多路复用量子存储器实现量子中继网络的可行性。该成果论文《Quantum Communication between Multiplexed Atomic Quantum Memories （多路复用原子存储器间的量子通信）》近日发表于国际学术期刊《物理评论快讯》（Phys. Rev. Lett）。

       为了克服单光子信号在量子信道传输时面临的指数衰减问题，长程量子通信需要利用量子中继器方案。DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）协议作为量子中继器方案影响最大的物理实现方式，通过在长程信道中插入量子存储器节点，利用量子存储器产生和传输纠缠态，实现相邻量子存储器间的纠缠，进而通过多步纠缠交换操作最终完成长程纠缠信道的建立，克服单光子信号在光纤中的指数衰减问题。多路量子存储器的使用可以进一步提升量子中继器方案的性能。在一个物理装置中，多路复用量子存储器具有许多独立的量子存储单元，每个单元均可以产生和存储量子态，并维持之间的相干性，进而减少纠缠分发和纠缠交换所需要的时间。此前该研究组分别利用DLCZ协议和电磁诱导透明（EIT）效应，在冷原子系综中实现了多路复用的原子量子存储器。然而如何相干地将多比特或多维量子态从多路复用的原子存储器耦合到单光子光纤，是一个急需解决的问题。

多路复用原子存储器间的量子通信实验装置示意图

       这项工作设计了独特的操作，使得在不同实验平台的多路复用原子存储器之间可以完成量子态传输。实验利用声光偏转器实现动态寻址，使得在一个多路复用原子存储器中通过DLCZ协议产生的、利用不同存储单元编码的自旋波（spin-wave）量子比特，转换为时间段（time-bin）量子比特，进而通过EIT效应存储到另一个多路复用原子存储器中。实验测量了不同原子存储单元中产生、传输和储存的纠缠态，其在操作前后均能保持较高的保真度，证明了多路复用原子存储器可以完成量子中继器方案所要求的量子连接。此外高维量子态作为提升量子信道容量的载体，也被验证可以完成高保真传输。这项工作验证了利用多路复用原子存储器实现量子中继器方案的可行性，审稿人认为这对量子网络的研究有重要的推动。

多路复用原子存储器的单独寻址操作演示和量子态传输的实验验证

       该论文第一作者为清华大学交叉信息研究院博士研究生李畅，通讯作者为段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蒋楠、常炜、濮云飞、张胜和博士后吴宇恺。项目得到教育部、科技部以及清华大学的经费支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.240504