我国科学家成功实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠

构建全球化量子网络并在此基础上实现量子通信是量子信息研究的终极目标之一，国际学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道来实现广域大尺度覆盖，通过光纤网络来实现城域及城际的地面覆盖。然而受限于光信号在光纤内的指数衰减，最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级。将远距离点对点传输改为分段传输，并采用量子中继技术进行级联，有望进一步大幅拓展安全通信距离，并使得构建全量子网络成为可能。

然而，受限于光与原子纠缠亮度低等技术瓶颈，此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题，研究团队进行了一系列技术攻关。首先，采用环形腔增强技术来提升单光子与原子系综间耦合，并优化光路传输效率，将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级；其次，由于原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为3.5dB/km，在50公里光纤中光信号将衰减至十亿亿分之一，使得量子通信无法实现，团队自主研发周期极化铌酸锂波导，通过非线性差频过程，将存储器的光波长由近红外转换至通信波段，经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上，效率相比之前提升了16个数量级；最后，为实现远程单光子干涉，研究团队设计并实施了双重相位锁定方案，成功地把经过50公里光纤的传输后引起的光程差控制在50nm左右。

通过多种前沿技术的结合，研究团队最终实现了经由50公里光纤传输的双节点纠缠，并演示了经由22公里外场光纤的双节点纠缠。该工作得到《自然》审稿人的高度评价“该结果是非常杰出的，向实现量子中继方向迈出了重要一步”，“将这些操作拓展至城域距离是本领域的一个重大进展”。