量子隐形传态与量子存储相结合的量子通信系统是实现未来量子互联网的关键单元。为了保证光子的低损耗传输并与现有光纤网络兼容，地基量子互联网需要在通信波段工作。稀土元素铒（Er）因其独特的通信波段光学跃迁特性，成为实现这一关键单元的理想材料。近日，南京大学马小松、陆延青、祝世宁团队在量子通信领域取得进展。团队通过结合同位素铒离子的高相干性与氮化硅光量子芯片的窄线宽、高亮度纠缠光源，成功实现了首个通信波段含存储的量子隐形传态系统，为未来实现长距离、可扩展、全固态的实用化量子网络奠定了基础。相关研究工作近期以“Quantum Teleportation from Telecom Photons to Erbium-Ion Ensembles”为题发表于国际学术期刊《Physical Review Letters》。
图一：通信波段光子与铒离子系综间量子的隐形传态
研究亮点
在量子网络中，光子传输损耗随距离的指数级增长是限制长距离通信的主要原因。量子中继通过结合纠缠光源、量子存储器和量子隐形传态等技术，可将损耗大大减少，从而实现可拓展的量子网络。因此，将纠缠光源、量子存储器与量子隐形传态相结合，对未来构建可扩展的长距离量子网络具有重要意义。尽管量子网络领域发展迅速，但通信波段的光子与存储器之间的量子隐形传态一直未能实现。
如图一所示，研究团队使用片上集成的氮化硅微环谐振腔，通过自发四波混频过程，产生窄线宽、高亮度的纠缠光子对。纠缠光子对中的闲频光子与携带初始量子态的输入光子进行贝尔态测量。成功的贝尔态投影可以预报输入光子的量子态被成功“传递”到信号光子。更进一步，团队利用同位素铒离子掺杂的硅酸钇晶体（167Er3+:Y2SiO5），在低温强磁场环境中冻结167Er3+的电子自旋，并通过光学泵浦部分极化其核自旋，实现了超过2微秒的光学存储时间。信号光子被存储器吸收后，其量子态映射到167Er3+离子系综中，并在预设的存储时间结束后以回波光子的形式重新出射。最终，该系统实现了81.4%的量子态保真度和73.6%的过程保真度，均超越了经典极限。该工作完成了全通信波段、含存储的量子隐形传态，为实现广域量子网络奠定了坚实基础。
论文信息
南京大学物理学院博士研究生安雨杨、何谦和薛文奕为文章的共同第一作者，姜明浩博士、杨承东同学、杜一峰同学对本文亦有重要贡献。南京大学物理学院马小松教授为该文章的通讯作者。南京大学祝世宁院士和陆延青教授对该工作进行深入指导。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术计划和量子科学技术创新计划等基金项目的资助。同时这项工作得到了南京大学物理学院、南京大学固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理研究中心、中国科学技术大学量子信息和量子物理协同创新中心、南京大学-中国移动联合研究院和合肥国家实验室的支持。
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论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/3wh8-2gh1