中國科學技術大學潘建偉、包小輝、張強等首次采用單光子干涉在獨立存儲節點間建立糾纏，并以此為基礎構建了國際首個基于糾纏的城域三節點量子網絡。該工作使得現實量子糾纏網絡的距離由以往的幾十米整整提升了三個數量級至幾十公里，為后續開展盲量子計算、分布式量子計算、量子增強長基線干涉等量子網絡應用奠定了科學與技術基礎。相關研究成果于5月15日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。
通過量子態的遠程傳輸來構建量子網絡是大尺度量子信息處理的基本要素。基于量子網絡，可以實現廣域量子密鑰分發以及分布式量子計算和量子傳感，構成未來“量子互聯網”的技術基礎。目前，基于單光子傳輸的量子密鑰網絡已發展成熟，而面向分布式量子計算、分布式量子傳感等進一步量子網絡應用，需要采用量子中繼技術在遠距離量子存儲器間構建量子糾纏，在此基礎上通過廣域量子隱形傳態將各個量子信息處理節點連接起來。
在量子隱形傳態方面，中國科大潘建偉團隊一直處于國際領先水平，先后實現了多終端 [Nature 430, 54 (2004)]、多體 [Nature Physics 2, 678 (2006)]以及多自由度 [Nature 516, 518 (2015)]的量子隱形傳態，為實現量子信息在量子網絡中的傳輸途徑奠定了技術基礎。在量子存儲與量子中繼方面，研究團隊長期開展了相關研究。團隊在國際上率先實現了具有存儲功能的穩定量子中繼節點 [Nature 454, 1098 (2008)]；為提升存儲壽命、讀出效率、糾纏制備概率等關鍵指標，團隊發展了三維光晶格冷原子量子存儲、環形腔增強光與原子相互作用、里德堡阻塞抑制高階激發等多項關鍵技術，不僅實現了綜合性能最優的冷原子量子存儲器 [Nature Photonics 10, 381 (2016)]，還實現了確定性的光與原子糾纏制備 [Phys. Rev. Lett. 128, 060502 (2022)]。
在此基礎上，研究團隊近年來在量子存儲網絡方向取得多項重要進展。2019年，團隊通過三光子干涉，實現了實驗室內三個冷原子量子存儲器間的糾纏，成為首個可拓展距離的量子網絡原型[Nature Photonics 13, 210 (2019)]。2020年，團隊利用量子頻率轉換技術將量子存儲的出射光子波長由795納米轉換至1342納米，并結合單光子鎖相技術，成功實現了在實驗室內經由50公里光纖連接的雙節點糾纏[Nature 578, 240 (2020)]。
為在遠距離分離的獨立量子存儲器間建立糾纏，主要挑戰在于如何控制單光子相位。基于單光子干涉的糾纏方案在糾纏速率方面有重大優勢，然而實驗難度非常高。糾纏過程中量子存儲的控制激光、頻率轉換泵浦激光、長光纖信道等帶來的細微相位抖動都會導致最終生成糾纏的退相干。為解決這一難題，團隊設計并發展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通過超穩腔穩頻來壓制控制激光線寬，其次通過光鎖相環來構建讀寫激光間的相位關聯，最后通過遠程分時相位比對來構建兩節點間的相位關聯。采用以上相位控制技術，并利用量子頻率轉換，團隊成功實現了相距十幾千米遠的量子存儲器之間的糾纏。以此為基礎，研究團隊構建了國際上首個城域三節點量子糾纏網絡。該網絡可以在任意兩個量子存儲器節點間建立糾纏。
圖：實驗節點布局示意圖。其中Alice節點位于中國科大東區、Bob節點位于合肥創新產業園、Charlie節點位于安徽光機所。
該工作使得現實量子糾纏網絡的距離由幾十米提升至幾十公里，為后續開展分布式量子計算、分布式量子傳感等量子網絡應用奠定基礎。該工作是國際首個城域多節點量子網絡實驗。審稿人對該工作給予高度評價：“他們的成果開啟了量子互聯網研究的新篇章（their achievement starts a new stage of quantum internet research）”，“為未來大規模量子網絡鋪平了道路（paving the way for future large-scale quantum networks）”。
《自然》雜志也在同一期發表了美國哈佛大學Lukin團隊的相關實驗進展，該團隊首次在SiV色心體系實現了雙節點遠距離糾纏。二者相比，中國科大成果在糾纏效率方面有明顯優勢，比哈佛大學的工作高兩個數量級以上。
本項研究獲得了科技部、國家自然科學基金委、安徽省、中國科學院等的支持。
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