“2017中国光学十大进展”候选推荐
 

与经典网络相似，量子网络由量子节点和量子通道构成。量子节点用于量子信息的存储和处理，量子通道用于量子信息的传输。在原子系综中，由于光和原子的相互作用强，而且系统易于实现，所以是实现量子节点的理想选择之一。首先在多个空间分离的量子节点之间实现和存储量子纠缠；然后在用户掌控瞬间将存储的量子纠缠映射到量子通道，用于量子信息的分发和传递，是未来发展量子网络的关键。

 

 

图1  实验装置。Part I：三组份光学纠缠的产生系统；Part II：光场纠缠到原子系综的映射系统；Part III：纠缠验证系统

 

贾晓军课题组利用三套简并光学参量放大器和线性光学分束器网络制备了非共线的三组份类GHZ纠缠态光场；然后，通过声光调制器将其转换为纠缠光脉冲，用于量子存储，实验装置如图1所示。由于钛宝石激光器具有良好的调谐特性，该纠缠光场的波长可以和铷原子D1吸收线相匹配。

 

在量子写入的过程中，利用电磁诱导透明的动力学过程，将该三组份纠缠态存储到空间分离的三个原子系综中，通过量子态映射的方法建立了三个原子系综之间的量子纠缠；在原子相干时间内，通过量子读出过程将量子纠缠从原子系综映射到量子通道中的光场，用于原子系综量子态的验证以及量子纠缠态的进一步分发。在1000 ns的存储时间后，研究团队分析了三个释放光脉冲的关联特性，实验结果如图2所示。该结果表明：三个释放光脉冲的正交分量满足类GHZ三组份不可分判据，关联起伏的和为I(t)L=0.96±0.01。因此，三个原子系综具有保持三组份纠缠的能力，也就是在三个原子系综之间实现了确定性的类GHZ纠缠态的建立和存储。

 

 

图2  实验结果：注入和释放光学子模的归一化关联起伏。曲线(1)：真空噪声基准；曲线(2):注入光学子模的关联起伏；曲线(3)：在1000 ns存储时间后释放光学子模对应的关联起伏；

 

该研究表明在多个宏观物体（原子系综）之间建立了量子纠缠，这为量子网络的实现提供了可能。此外，由于八组份以上空间分离的纠缠态光场已经由该研究组实验实现，这一方案能够直接推广到包含更多个量子节点的大尺度量子网络，在开发下一代基于连续变量光场和原子系综的分布量子计算机方面具有巨大的潜力。该成果发表在 Nature Communications  [8, 718 (2017)]上。