量子存储器间的远距离纠缠

于勇

中国科学技术大学

摘要：量子网络是指将诸多位于不同地点的量子处理器连接形成的一个可以传输量子态的网络。它能够提供许多革命性的功能,诸如任意远距离的安全通信、分布式量子计算等。实现它的基础单元是两个远距离的量子存储器之间的纠缠。本文中我们尝试利用冷原子量子存储体系建立远距离的纠缠。目前远距离纠缠的发展受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配等技术瓶颈。为此,我们首先搭建了环形腔增强单光子与原子系综间耦合,提升了存储器读出效率;同时利用环形腔抑制了控制光噪声、减少了滤波损耗。与之前结果相比,光与原子的纠缠亮度提升了一个量级。其次我们还利用量子频率转换技术,将从原子团出射的光子波长从795纳米转换至位于光纤通讯波段的1342纳米,使得光子传输损耗由原本的3.5 dB/km降低至0.3 dB/km。然后我们通过光子干涉建立量子存储间的远距离纠缠。建立远距离纠缠主要有两种方案:单光子干涉方案和双光子干涉方案。总体而言双光子干涉方案实验难度较低,同时纠缠产率也较低;单光子干涉方案纠缠产率更高,但要求稳定的相位环境,实验难度较大。我们分别利用这两种方案演示了两个量子存储间的远距离纠缠,一个是利用双光子干涉方案,通过总长22公里的外场光纤传输建立的;另一个是利用单光子干涉方案,通过总长50公里的室内光纤传输建立的。为实现远程单光子干涉,我们设计并实施了双重相位锁定方案,成功地把经过50公里光纤传输后引起的光程差控制在50纳米左右。虽然目前实验中两个存储器仍然放置于同一个实验室,但已基本具备实现远距离空间分隔的存储器间纠缠的能力。本论文中我们还考虑了其他两方面的问题。一方面是量子存储器的安全检验,我们首次演示了用测量设备无关方案去检验一个量子存储器,并通过基于里德堡阻塞效应的单光子源及量子随机数控制的偏振态制备,保证了光源端的抗攻击能力。我们的方法兼顾了安全性和可操作性,有很强的的实用意义。另一方面,针对冷原子量子存储体系现有的不足,我们提出了一些理论方案进行改进。其中一部分是利用里德堡阻塞效应,实现系综体系中光和原子的确定性纠缠制备,以及在原子系综内部进行确定性的纠缠交换;另外一部分是在DLCZ存储中,利用拉曼光对自旋波的操控,实现量子比特的长寿命以及多模存储。本文中我们用两种方案分别实现的22公里及50公里光纤传输的量子存储器间纠缠的工作为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。将其与基于里德堡的确定性纠缠、长寿命存储等技术结合,将极大地推动量子中继和全量子网络的实验研究。 更多
关键词：量子存储; 冷原子; 频率转换; 远距离纠缠; 量子网络;
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