量子存储网络作为量子互联网发展的中间阶段，将使许多重要的应用得以实现。将光子与基于物质的量子存储器结合在一起的体系结构是构建量子网络最有希望的方法，在这种体系结构中，要连接和纠缠远程量子存储器，最好使用光子。光子充当长距离传输的飞行量子比特，而物质系统则充当用于存储和操纵的固定量子比特。物质系统的一个关键要求是能够有效地与光子纠缠。到目前为止，在许多不同的物理系统中已经证明了与单个光子的纠缠。一些系统还实现了两对光子存储器纠缠的相干操作，并在冷原子系综、单离子、晶体中的稀土离子、氮空位中心和量子点的两个远距离固定节点之间产生纠缠。近年来通过远距离纠缠许多量子节点的技术受到高度追捧。将许多量子节点远距离产生纠缠是人们高度追求的目标，这将有助于构建具有复杂拓扑结构的大规模量子网络。

图1 实验布局。实验涉及三个量子节点，在每个节点中，都使用了一个具有环形腔增强的原子系综量子存储器的设置。

近日，中国科技大学潘建伟课题组通过三光子干涉实现了三个远程量子存储器的纠缠。要构建具有多个纠缠原子-光子对的复杂量子网络，重要的使任意两个纠缠对保持高保真度。实验中使用激光冷却的原子系综，并利用环形腔来提高每个节点处光子纠缠存储器的整体效率，纠缠连接是通过光子干涉实现的，因此来自两个节点的写出光子是高度难以区分的。在双节点实验中精心优化了影响写出光子干涉的所有实验参数，包括频率失谐，写入光束的脉冲形状和偏置磁场。在此实验中，通过在干涉前翻转一个写出光子的偏振，不同的频率分量不会相互干扰，并且消除了与检测时间相关的相移。这项技术使在两节点实验中纠缠交换后，纠缠原子对的保真度从0.81提高到0.85。利用以上方法通过三个独立装置中的三个单光子干涉，产生三个存储器和三个光子的纠缠。然后，通过测量光子并应用前馈，基于无滤波原子-光子纠缠腔增强源实现了三个存储器之间的预期纠缠。由这种多节点纠缠构成的量子网络可用作构建二维量子中继器的模块，并构建具有复杂拓扑结构的量子网络。该网络通过使用光学晶格，将存储器寿命延长到秒级，这将使量子存储器寿命内的纠缠产生具有确定性。通过利用里德堡阻塞，原子-光子纠缠的产生可能成为确定性的，这将使产生多节点纠缠的速率更高。通过将光子波长转换为电信波段并使用低损耗光纤进行传输，可以使存储器的间隔距离变长。因此，作者的实验为构建长距离量子网络铺平了道路，并将使多方量子通信和在其上进行分布式量子计算成为可能。相关内容以《Entanglement of three quantum memories via interference of three single photons》为题发表在《Nature Photonics》杂志上。

图2 单纠缠原子-光子对的表征。

来源： Nature Photonics

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