▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

近日，電子科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)周強(qiáng)研究組與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團(tuán)隊(duì)合作，在電子科技大學(xué)“銀杏一號(hào)”城域量子互聯(lián)網(wǎng)方面取得重大進(jìn)展（見(jiàn)圖1）。研究團(tuán)隊(duì)合作研制出高重頻量子光源、自動(dòng)化光子全同測(cè)控裝置、高性能超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器，突破了量子信息載源、量子信道建立、量子信息檢測(cè)等技術(shù)難題，首次完成“赫茲速率”的城域量子隱形傳態(tài)。該研究成果對(duì)發(fā)展基于量子糾纏的新一代信息技術(shù)具有重要作用。

圖1：“銀杏一號(hào)”城域量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)場(chǎng)地鳥(niǎo)瞰圖和設(shè)計(jì)概念圖

該文章發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“Hertz-rate metropolitan quantum teleportation”。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、四川省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的大力支持。電子科技大學(xué)博士研究生沈思為本文的第一作者，周強(qiáng)教授為本文的通訊作者。

量子信息技術(shù)借助量子物理資源，可以為人們提供超越經(jīng)典物理的信息獲取、傳輸和處理技術(shù)，其最終的發(fā)展目標(biāo)是建立量子互聯(lián)網(wǎng)，或量子網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵任務(wù)之一便是在不同量子節(jié)點(diǎn)間完成量子信息的傳遞。借助于量子糾纏資源，在量子投影測(cè)量和經(jīng)典通信的輔助下，量子隱形傳態(tài)可將未知量子信息進(jìn)行“離物傳遞”。自20世紀(jì)90年代量子隱形傳態(tài)協(xié)議被提出以來(lái)，研究人員在不同物理體系中開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

其中，基于量子光學(xué)方案的量子隱形傳態(tài)為量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建提供了一種重要的方案，包括連續(xù)變量（CV）與離散變量（DV）兩個(gè)量子物理體系。面向全球范圍的量子互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建，DV體系的量子隱形傳態(tài)有望將量子信息傳遞距離延伸到數(shù)千公里。目前，基于DV體系，科學(xué)家們已經(jīng)在不同光子自由度上完成了從室內(nèi)到外場(chǎng)的量子隱形傳態(tài)。比如基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星，上千公里的量子隱形傳態(tài)已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在這些令人矚目的工作基礎(chǔ)上，本文首次報(bào)道了傳態(tài)速率達(dá)到赫茲量級(jí)的高速城域量子隱形傳態(tài)，為推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，具有至關(guān)重要的作用。

本論文工作建成的“銀杏一號(hào)”城域量子互聯(lián)網(wǎng)，使用誘騙態(tài)時(shí)間片量子比特對(duì)待傳遞的量子信息進(jìn)行編碼，在突破如下關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，首次將城域量子隱形傳態(tài)的速率提升至赫茲量級(jí)。

（1）高重頻量子糾纏光源：研究團(tuán)隊(duì)研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子糾纏光源，使用單個(gè)尾纖耦合周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)模塊，實(shí)現(xiàn)了500 MHz重頻觸發(fā)的高質(zhì)量量子糾纏光源。

（2）自動(dòng)化光子全同測(cè)控裝置：為了保障量子隱形傳態(tài)的成功，提高貝爾態(tài)投影測(cè)量效率，需確保來(lái)自Alice和Bob的光子在長(zhǎng)距離光纖傳輸后保持全同。研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出自動(dòng)化光子全同測(cè)控裝置，通過(guò)對(duì)量子信道中的光子偏振及時(shí)延信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)的光纖信道光子全同穩(wěn)定測(cè)控技術(shù)。

（3）高性能超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器：中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團(tuán)隊(duì)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)、低時(shí)間抖動(dòng)的高性能超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器，用于高效率貝爾態(tài)投影測(cè)量和光量子態(tài)檢測(cè)過(guò)程。

進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)分別使用量子態(tài)層析及誘騙態(tài)方法（見(jiàn)圖2）獲得隱形傳態(tài)的保真度均大于經(jīng)典極限（66.7%），并通過(guò)三重符合測(cè)量得到量子態(tài)傳遞速率，證實(shí)了高速城域量子隱形傳態(tài)得以實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

圖2：典型量子態(tài)傳遞保真度結(jié)果

通過(guò)建設(shè)“銀杏一號(hào)”城域量子互聯(lián)網(wǎng)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了傳態(tài)速率達(dá)到赫茲量級(jí)的高速城域量子隱形傳態(tài)。結(jié)合集成量子光源、量子存儲(chǔ)中繼、量子信息節(jié)點(diǎn)等核心器件，未來(lái)有望研制出“高速率、高保真、多用戶(hù)、長(zhǎng)距離”的量子互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，進(jìn)一步推進(jìn)量子互聯(lián)網(wǎng)邁向?qū)嶋H應(yīng)用。

| 論文信息 |

Shen, S., Yuan, C., Zhang, Z. et al. Hertz-rate metropolitan quantum teleportation. Light Sci Appl 12, 115 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01158-7

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