中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)演示了兩個量子存儲器相距50公里的糾纏，為解決大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題提供了思路。此前，兩個固定節(jié)點之間的量子糾纏始終無法超越1.3公里的距離。

相關(guān)論文于2月13日凌晨發(fā)表在世界頂級學(xué)術(shù)期刊、英國《自然》雜志上。中科大教授潘建偉、包小輝、張強為文章的通訊作者。

量子是物理學(xué)中不可再分的基本單元，比如，光子就是量子性的，不存在“半個光子”的說法。在這個微觀世界里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的特性，量子通信、量子計算等概念基于此發(fā)展起來。

量子糾纏就是其一，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變(比如人們對其進行測量)，另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。

雖然理論上是這樣，但如果要建成大規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，保證兩個遙遠(yuǎn)的節(jié)點保持這樣精妙的糾纏態(tài)，仍存在許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

自上個世紀(jì)70年代以來，物理學(xué)家們開始嘗試遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)，即把處于糾纏態(tài)的光子分發(fā)到兩處。

早在2005年，潘建偉團隊就在合肥大蜀山實現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。2012年，該團隊又在青海湖實現(xiàn)了首個超過102公里的量子糾纏分發(fā)實驗。2017年，利用世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子號”，他們創(chuàng)下了世界量子糾纏分發(fā)距離的紀(jì)錄，達(dá)到1200千米。

不過，這樣的星地量子糾纏分發(fā)造成的傳輸損耗很大，在實際應(yīng)用上有很大挑戰(zhàn)。若要讓光子在遠(yuǎn)距離光纖上傳輸，也會出現(xiàn)嚴(yán)重的損耗，限制分發(fā)的成功率。

論文提到，一個解決方案是，在兩個遠(yuǎn)距離節(jié)點上各自制備量子存儲器(某種可以儲存量子態(tài)的物質(zhì))和一個光子的糾纏，再把這兩個光子傳輸?shù)揭粋€共同的中間節(jié)點。對這兩個光子進行適當(dāng)?shù)臏y量操作后，就能把原節(jié)點上的兩個量子存儲器投射成遠(yuǎn)程糾纏態(tài)。

此前，國際科學(xué)家們曾用原子團簇、原子、金剛石中氮空位色心、離子阱等系統(tǒng)作為量子存儲器進行操作，但最好的結(jié)果也只有1.3公里。

論文指出，想把糾纏距離拓展到城際規(guī)模，存在三個主要的挑戰(zhàn)。一是獲得“明亮”(即有效)的物質(zhì)-光子糾纏，二是減少傳輸損耗，三是實現(xiàn)長距離光纖中穩(wěn)定的高可見干涉。

針對以上挑戰(zhàn)，研究團隊利用一種名為腔增強的量子效應(yīng)來制備明亮的原子團簇和光子糾纏。他們在中科大校園內(nèi)設(shè)置了兩個這樣的節(jié)點，再把兩個信使光子通過兩條平行的11公里長光纖傳輸?shù)街虚g節(jié)點——合肥軟件園。

為了減少傳輸期間的光子損耗，研究團隊利用量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，將光子從近紅外頻率轉(zhuǎn)換為適合于電信傳輸?shù)念l率。最后，他們在雙光子干涉機制下實現(xiàn)了兩個量子節(jié)點的糾纏，等于說跨越了22公里。

接下去，中科大團隊又更進一步，在單光子干涉機制下，讓兩個由50公里長光纖連接的節(jié)點實現(xiàn)了糾纏，達(dá)到了城際尺度。

論文樂觀地判斷，把更多類似距離的節(jié)點連接起來，這個實驗就可以拓展成一個量子網(wǎng)絡(luò)的功能單位，為建立大規(guī)模的量子互聯(lián)網(wǎng)做好了鋪墊。