山西大學(xué)光電研究所賈曉軍課題組將連續(xù)變量多組份糾纏光場存儲到多個原子系綜，從而實現(xiàn)了多個空間分離的量子節(jié)點之間確定性量子糾纏的制備、存儲和釋放，為量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)提供了可能。
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與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)相似，量子網(wǎng)絡(luò)由量子節(jié)點和量子通道構(gòu)成。量子節(jié)點用于量子信息的存儲和處理，量子通道用于量子信息的傳輸。在原子系綜中，由于光和原子的相互作用強(qiáng)，而且系統(tǒng)易于實現(xiàn)，所以是實現(xiàn)量子節(jié)點的理想選擇之一。首先在多個空間分離的量子節(jié)點之間實現(xiàn)和存儲量子糾纏；然后在用戶掌控瞬間將存儲的量子糾纏映射到量子通道，用于量子信息的分發(fā)和傳遞，是未來發(fā)展量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。
圖1 實驗裝置。Part I：三組份光學(xué)糾纏的產(chǎn)生系統(tǒng)；Part II：光場糾纏到原子系綜的映射系統(tǒng)；Part III：糾纏驗證系統(tǒng)
賈曉軍課題組利用三套簡并光學(xué)參量放大器和線性光學(xué)分束器網(wǎng)絡(luò)制備了非共線的三組份類GHZ糾纏態(tài)光場；然后，通過聲光調(diào)制器將其轉(zhuǎn)換為糾纏光脈沖，用于量子存儲，實驗裝置如圖1所示。由于鈦寶石激光器具有良好的調(diào)諧特性，該糾纏光場的波長可以和銣原子D1吸收線相匹配。
在量子寫入的過程中，利用電磁誘導(dǎo)透明的動力學(xué)過程，將該三組份糾纏態(tài)存儲到空間分離的三個原子系綜中，通過量子態(tài)映射的方法建立了三個原子系綜之間的量子糾纏；在原子相干時間內(nèi)，通過量子讀出過程將量子糾纏從原子系綜映射到量子通道中的光場，用于原子系綜量子態(tài)的驗證以及量子糾纏態(tài)的進(jìn)一步分發(fā)。在1000 ns的存儲時間后，研究團(tuán)隊分析了三個釋放光脈沖的關(guān)聯(lián)特性，實驗結(jié)果如圖2所示。該結(jié)果表明：三個釋放光脈沖的正交分量滿足類GHZ三組份不可分判據(jù)，關(guān)聯(lián)起伏的和為I(t)L=0.96±0.01。因此，三個原子系綜具有保持三組份糾纏的能力，也就是在三個原子系綜之間實現(xiàn)了確定性的類GHZ糾纏態(tài)的建立和存儲。
圖2 實驗結(jié)果：注入和釋放光學(xué)子模的歸一化關(guān)聯(lián)起伏。曲線(1)：真空噪聲基準(zhǔn)；曲線(2):注入光學(xué)子模的關(guān)聯(lián)起伏；曲線(3)：在1000 ns存儲時間后釋放光學(xué)子模對應(yīng)的關(guān)聯(lián)起伏；
該研究表明在多個宏觀物體（原子系綜）之間建立了量子糾纏，這為量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)提供了可能。此外，由于八組份以上空間分離的糾纏態(tài)光場已經(jīng)由該研究組實驗實現(xiàn)，這一方案能夠直接推廣到包含更多個量子節(jié)點的大尺度量子網(wǎng)絡(luò)，在開發(fā)下一代基于連續(xù)變量光場和原子系綜的分布量子計算機(jī)方面具有巨大的潛力。該成果發(fā)表在 Nature Communications [8, 718 (2017)]上。
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