王海教授团队在量子中继方面取得重要进展

近日，量子光学与光量子器件国家重点实验室、光电研究所王海教授团队在量子中继的研究中取得了重要进展，他们成功演示了基于原子系综量子存储之间的纠缠分发，并通过时间复用方案显著提高了纠缠分发速率。相关研究成果以题为“Heralded Entanglement Distribution Between Two Spin-Wave Memories Using Temporally Multiplexed Scheme”发表在Laser & Photonics Reviews上。论文的通讯作者为李淑静教授和王海教授，博士生王敏杰为论文的第一作者，博士研究生焦浩乐、路迦进等人参与了该工作。

量子中继可进行远距离纠缠分发，是建立大规模量子网络的基础。在量子中继中，远距离的量子信道被分为较短的若干子信道，每个子信道由两个量子记忆节点和一个连接节点的量子通道组成。实现量子中继首先需要在每个子信道的节点间建立量子纠缠，然后利用纠缠交换拓展纠缠分发距离。Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) 量子中继协议使用原子系综作为量子记忆节点并采用单光子探测产生纠缠，是目前被广泛关注的方案。目前DLCZ中继方案面临的一个主要问题是纠缠产生速率非常低，这严重阻碍了量子中继的实用化进程。

基于时间复用方案实现两个量子记忆之间可预言纠缠分发的原理图

该团队采用时间复用的DLCZ存储方案提高了原子系综量子记忆间的纠缠产生速率（上图）。他们通过DLCZ写过程在一个87Rb冷原子团中产生了原子记忆纠缠态。为了提高纠缠产生速率，他们将写脉冲序列沿不同方向在不同时刻施加到原子上，产生了12个时间模式的Stokes光子和原子自旋波关联对，在此基础上他们演示了多模复用对原子记忆纠缠分发（产生）速率的增强。与单模方案相比，时间多模复用方案使纠缠分发速率提高了11.8倍（图2(a)）。此外，科研团队还采用腔增强方案，使量子记忆恢复效率达到70%（图2(b)）。这个工作为量子通信的速率提高提供了新的技术手段，也为量子中继的实用化迈出了坚实的一步。

(a) 纠缠产生率随复用模式数的变化关系；(b)自旋波恢复效率随存储时间的变化关系

该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、山西省“1331”工程重点学科建设基金、山西省基础研究计划、量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）以及省部共建极端光学协同创新中心（山西大学）的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300825