近期，南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心陈增兵教授和中国人民大学物理学院、量子态构筑与测控教育部重点实验室尹华磊副教授团队提出了一种可以在远距离高效建立纠缠态的量子中继协议。新协议基于空分复用和测量后匹配的思想来实现贝尔态测量，同时具有纠缠产生效率高、相位稳定要求低、通信效率和纠缠保真度之间无约束的优势，本协议对于发展实用化量子通信网络的建设具有重要意义。相关研究成果以“Asynchronous quantum repeater using multiple quantum memory”为题于2024年11月25日发表在英国物理学会权威期刊《物理学进展报告》 [Rep. Prog. Phys. 87, 127901 (2024)]上。
第二次量子科技革命的标志性成就，无疑将是构建出量子互联网这一革命性平台，它不仅能够实现超越经典互联网的通信安全，还将在计算与传感等信息处理任务上展现出前所未有的速度和精度优势。由于未知量子态不能被精确克隆，因此量子中继是成功构建量子互联网的关键一步。在量子互联网中，量子中继被用来在远距离建立纠缠时抵御信道损耗和操作错误。一方面，量子信息被编码在Fock态形成的希尔伯特空间时，单光子干涉常被用来实现纠缠交换的信号预报。著名的Duan–Lukin–Cirac–Zoller（DLCZ）量子中继协议将原子系综作为量子存储，通过激光对系综进行激发发射出前向传播的Stokes光子在两节点中间进行单光子干涉进而在两个节点之间建立纠缠 [Nature 414, 413 (2001)]。由于单光子干涉过程中光子只经过了一半的路径，所以基于单光子干涉的协议效率正比于一半路径对应的损耗，效率较高。但另一方面，单光子干涉对于相位波动非常敏感，因此成功的单光子干涉对相位锁定要求较高。此外，基于单光子干涉的量子中继协议的通信效率与生成纠缠态的保真度之间存在权衡。并且在利用单光子干涉进行纠缠交换的过程中，由于探测器和量子存储读取的不完美，随着纠缠交换嵌套层级的不断提高，生成的量子态中真空成分的比例会随着嵌套层级指数增加，因此为了进行量子密码和量子通信任务，需要将两对单激发纠缠通过后选择制备成双光子纠缠。另一方面，在对量子信息进行双轨制编码时，可以采取双光子干涉进行纠缠交换，此时一条链路的两端节点进行的是双光子Hong-Ou-Mandel干涉 [Phys. Rev. Lett. 98, 240502 (2007)]。与单光子干涉相比，双光子干涉中光子经历了整段损耗，且双光子干涉方案要求两个原子系综同时各自产生一个光子，因此相比于单光子干涉方案纠缠效率较低，为原子系综激发率和单边信道损耗平方的函数。但是双光子干涉对相位波动并不敏感，且在下一步纠缠交换中可以过滤量子存储的高阶激发噪声。目前基于单光子干涉和双光子干涉的量子中继实验在多个物理体系当中实现，例如原子系综体系[Nature 578, 240 (2020)]、金刚石自旋体系[Nature 526, 682 (2015), Nature 558, 268 (2018)]以及量子点空穴自旋体系[Nat. Phys. 12, 218–223 (2016)]等。尽管实验上取得了巨大的进步，但是迈向高纠缠产率和长距离纠缠的量子网络仍然面临上述挑战。
图1 异步量子中继协议
本团队采用空分复用和测量后匹配的思想设计了一个全新的量子中继协议，如图1所示。具体来说，让链路两端的通信方同时进行多路单光子干涉，在完成干涉后对成功的单光子干涉事件进行配对，对于成功配对的两个事件分别进行CNOT操作和Z基矢下的投影测量，最终在链路两端建立纠缠态。由于后匹配操作具有内生性的纠缠纯化作用，因此从理论上相对于单光子干涉方案而言，通过团队所提出的方案在链路两端所建立的纠缠态为最大纠缠态，而非包含真空成分的混态。本团队所设计的量子中继协议由于结合了空分复用和后匹配的思路，理论纠缠产率可以和基于单光子干涉的量子中继协议达到相同的数量级，另一方面，本团队所提出的协议对于信道中的相位波动具有好的鲁棒性，因此有利于实验实现。此外，如前所述，通过团队所提出的协议理论上可以产生最大纠缠态，因此纠缠产率和保真度之间不存在权衡，即不需要通过牺牲纠缠产率来提升生成的纠缠态的保真度。本文也详细讨论了在Kerr非线性谐振腔系统里实现协议的可行性。可以预期本协议在很多物理平台都有实现的可能，如中性原子、束缚离子、NV色心、量子点等。
论文共同第一作者为南京大学物理学院在读博士生李晨龙和中国人民大学尹华磊副教授，通讯作者为中国人民大学尹华磊副教授和南京大学物理学院陈增兵教授。该研究工作得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等的支持。
《物理学进展报告》Reports on Progress in Physics创刊于1934年，旨在发表突破性的最新研究和权威的邀请综述，涵盖物理学及相关领域的所有方面，期刊从2024年起新增发表原创研究文章。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad91de