中國神話傳說中，每年農歷七夕借助一座鵲橋，牛郎織女得以見一面。試想一下，如果喜鵲飛快點，就能把橋搭得更快，牛郎和織女也能更早見面。那么有可能實現更快搭橋嗎？在科學家眼中，這其實是一個通信問題

北京時間 6 月 2 日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組，首次實現基于吸收型存儲器的量子中繼基本鏈路，并展現了多模式量子中繼的通信加速效果。

假如量子世界中兩個分離的量子節點分別是牛郎和織女，這條量子中繼基本鏈路就是鵲橋，中科大團隊建立的多模式量子中繼能讓通信速率提升四倍，可為高速率、大尺度量子網絡的建設提供全新實現方案。

相關論文以《基于吸收型存儲的可預報量子糾纏分發》（Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories）為題發表在 Nature 上，并且是當期封面文章，其中周宗權擔任共同通訊作者，他生于 1990 年，目前是中科大的副教授。

論文共同第一作者劉肖及胡軍說：“我們成功演示了四個時間模式的并行復用，獲得了四倍加速的糾纏分發速率，經過實驗驗證，通過貝爾態測量預報兩個節點之間的糾纏保真度超過 80%。”Nature 審稿人評價該工作稱：“這是在地面上實現遠距離量子網絡的一項重大成就”“將為接下來的研究奠定基礎”，并表示相關 “實驗在量子中繼應用中具有一系列的優勢，比如多模式復用。”

多年來，全球科學界都在為構建全球性量子通信網而努力。假如兩個量子發生糾纏，一個有變化，另一個瞬間也會變。依靠這種現象，無論兩點之間距離有多遠，人類都有希望實現量子通信，但當前仍有很多待解難題。

按照傳說，牛郎織女可以每年一會，而光纖每秒發射到一千公里之外的一百億個光子，竟要耗時三百年才能接收到一個光子。

后來，量子中繼的思想被提出，其核心是把遠距離傳輸分為多個短距離傳輸，然后在基本鏈路的兩個臨近節點間建立可預報的量子糾纏，再通過糾纏交換技術來逐步擴大量子糾纏的距離。

其中，量子存儲器是量子中繼的核心器件，可用于儲存光子糾纏態，在相鄰存儲器糾纏成功之后，量子存儲器就能執行下一步糾纏交換。

此前，相關研究大多使用發射型量子存儲器。使用這種存儲器的缺點在于，無法同時支持高效率糾纏光子發射以及多模式復用技術。而基于吸收型存儲器的量子中繼可以克服這個困難。多年來，該團隊一直在研究吸收型量子存儲器，并將成果體現在本次論文中。

遠程量子糾纏傳輸，是構建全球量子通信網絡的核心任務。但是，光子數在光纖中的指數衰減，導致地面的直接傳輸距離被局限在一百公里之內。

量子中繼傳輸速度主要受到哪些因素影響？

周宗權表示，量子中繼的傳輸速率，會受到很多因素的影響，量子中繼的邏輯結構設計、以及器件性能都會影響速率。

具體而言，量子中繼主要包括兩步：第一步是基本鏈路的糾纏建立；第二步是基本鏈路之間的糾纏交換過程。其中，糾纏交換的速率主要由量子光學基本原理所限制，所以提升速率的關鍵，在于基本鏈路的糾纏建立速率。

這一速率的主要受制因素有糾纏光源的發射概率，以及不可避免的傳輸以及器件損耗。針對糾纏光源的發射概率，使用能以 100% 幾率發射的光源確定性光源即可解決，它需要的物理系統是單原子類型的。

而針對不可避免的傳輸以及器件損耗，使用多模式復用可以克服損耗，而它需要的物理系統是原子系綜類型。作為目前最優的量子中繼架構，吸收型存儲器可同時滿足這兩個訴求。 另外，量子中繼需要使用很多器件，如量子存儲器、量子糾纏光源、單光子探測器等，每種器件的不完美都會導致傳輸速率降低。對量子存儲器來說，存儲時間、存儲效率和多模式復用能力等指標非常重要。而對量子糾纏光源來說，發射速率、收集效率等指標對傳輸速率也影響很大。

多模式復用可提高糾纏傳輸速率

周宗權解釋稱，多模式復用能提高糾纏的傳輸速率，類似光纖通信中的時分復用及波分復用技術可以提高通信速度。而在該研究的實驗里，多模式是指的時間模式，即處于不同時間范圍的光子。

在一個量子中繼的基本鏈路中，兩端節點的糾纏建立會面臨如下挑戰，每次嘗試時如果只有一個模式，那么在該周期內，一個節點只能發射一對光子來嘗試建立糾纏。由于信道損耗，一般成功概率很小。一旦失敗，就要等到下一周期進行再嘗試。

如果有多個模式，每個模式的光子都能進行糾纏建立。并且，只要有一對光子成功建立糾纏，兩個節點的糾纏也會成功建立，量子糾纏建立的成功率也可得到提高。

周宗權解釋稱，中繼鏈路糾纏分發的速率和模式數成正比，假如使用 N 個模式數，就能將糾纏分發的速率提高 N 倍。

據悉，該團隊長期研究基于稀土摻雜晶體的吸收型量子存儲器，在基于這種存儲器的量子中繼架構中，量子光源和量子存儲器是相獨立的，因此該架構可同時兼容確定性量子光源和多模式復用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

經過三年多的努力，該團隊使用吸收型量子存儲器演示了量子中繼的基本鏈路。兩個分離的量子節點、以及中間站點貝爾態測量裝置，可組成一個基本鏈路。每個量子節點中，除了 “牛郎”“織女” 量子存儲器之外，各自還有一個糾纏光子對。

研究中，周宗權使用量子存儲器捕獲、并存儲糾纏光子對中的一個光子，每對糾纏光子中的另一個光子，可通過光纖被傳輸到中間站點 “鵲橋”，然后進行貝爾態測量（Bell-state measurement），測量過程中即可建立量子糾纏。這意味著，借助量子中繼基本鏈路這一 “鵲橋”，作為 “牛郎” 和 “織女” 的兩個分離的量子節點，就算不見面也能成功建立糾纏。

談及“牛郎”“織女” 所使用的量子存儲器的不同，周宗權告訴 DeepTech，“牛郎” 和 “織女” 所用的量子存儲器本質上是一樣的，它們就是一個中繼鏈路的末端兩個節點。

這里用的是糾纏交換技術，具體原理如下：如果 A 和 B 是糾纏的，C 和 D 也是糾纏的，盡管 A 和 D 沒有發生過直接作用，但是對 B 和 C 執行貝爾態投影測量，只需成功進行一次投影測量，就能 “預報” A 和 D 之間糾纏態的建立。這里的 A 和 D 可以理解成 “牛郎” 和 “織女”，B 和 C 就是中間的 “鵲橋”。

值得一提的是，中間站點 “鵲橋” 除了能建立量子存儲器之間的糾纏，還能預報這種糾纏，即知道糾纏何時建立成功，這對量子中繼來說可謂至關重要。因為下一步的糾纏交換，必須在相鄰的基本鏈路都已預報糾纏、且成功建立的條件下才能執行。

說到本次研究所用量子存儲設備不同之處，周宗權告訴 DeepTech，此前量子中繼實驗使用的都是發射型量子存儲器，而本次實驗使用的是吸收型量子存儲器。發射型存儲器的糾纏光子是由存儲器直接發射出來的，雖然它的結構很簡潔，但是兼容性較差。

這時，如果使用單原子系統，就很難進行多模式復用；如果使用原子系綜，則很難進行確定性發光。概括來說，這種傳統結構很難同時滿足確定性量子光源、以及多模式復用這兩個量子中繼中關鍵的通信加速技術。

而在基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源與量子存儲器是互相獨立的。量子光源可采用單原子系統，而存儲器可使用原子系綜，所以這種架構可同時兼容確定性量子光源以及多模式復用，因此是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。基于這種架構，周宗權在中繼鏈路中，進一步演示了多模式復用技術。

瞄準千公里乃至萬公里級量子網絡

目前的實驗兩個存儲器相距僅 3.5 米，而瞄準的應用目標是千公里乃至萬公里級的量子網絡，所以距離實際應用還需解決很多問題。

周宗權解告訴 DeepTech，對于量子光源、量子存儲、探測器和信道穩定性等，量子中繼有著比較苛刻的技術需求，系統工程比較復雜。當前，研制量子中繼的相關實驗也在不斷推進中。

下一步，周宗權和團隊將繼續提高量子存儲器的各項指標比如存儲時間和效率等，并將采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的量子中繼器，如果實現了，這將是量子中繼走上實用化的重要標志之一。

其表示，量子中繼一旦走向實用化，就能在地面上利用現有光纖通信網絡，在遠距離的兩點分發量子糾纏，可支持量子密鑰分發、量子計算機互聯、分布式量子精密測量等所有已知的量子信息應用。 舉例來說，量子計算機之間如何傳輸 100 個量子位的糾纏態？如果全部轉化為經典數據再傳輸，則數據量大約是 2 的 100 次方，超出地球所有經典存儲器的容量之和，顯然這樣不可行。而如果直接傳輸量子態，則只需要傳輸100個光子，所以需要建立量子網絡，以直接傳輸量子態的方法來建立量子計算機的互聯。

目前的光纖量子密鑰分發在 500km 以內，如果能基于量子中繼建立大尺度量子網絡，則可以實現基于物理學原理安全的千公里級通信。

周宗權表示：“利用吸收型量子存儲器有望在未來實現高效率的量子中繼和量子網絡，進一步推動量子世界里‘牛郎與織女’的順利通信。”

下一步，該團隊將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。

原文標題：中科大90后團隊搭建 “量子鵲橋”，可將量子通信速率提升四倍，相關研究登上 Nature 封面 | 專訪

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責任編輯：haq