在中科院青促会等资助下，中国科大周宗权副教授（青促会证书编号：2019440）及李传锋教授带领团队利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，演示了多模式量子中继的通信加速效果。该成果于2021年6月2日以封面故事文章的形式发表在《自然》杂志上，封面故事的标题为“Quantum connections（量子连接）”。

由于单光子在光纤传输中的指数级损耗问题，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。

量子中继的核心部件是量子存储器以及量子纠缠光源。按照其工作方式分为两类，一类是发射型存储器，纠缠光子由存储器直接发射，其特点是结构简单，但是无法同时获得单原子的确定性发光优势以及原子系综的多模式复用优势，从根本上限制了纠缠分发的速率。另一类是吸收型存储器，纠缠光子源外置，与存储器相独立，这种架构下可以同时支持确定性光源以及多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。

李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究，近十年不断提升固态量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求，包括使存储保真度达99.9%、模式数达100个、光存储寿命达1小时等。近期，该研究组基于吸收型存储器建立了量子中继的基本链路（见图1）。基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构制备了两套固态量子存储器。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而另一个光子被传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，从而使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠。

为了展现多模式复用对于量子中继通信的加速作用，研究人员在量子中继基本链路的演示实验中引入了4个时间模式的复用。具体实验中，每个量子节点发射了4对纠缠光子去尝试到达中间站点并实现存储。这使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。

该研究证实了基于吸收型量子存储构建量子中继的可行性，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。该成果为量子网络的建设指明了一条全新的道路——基于吸收型存储器的量子中继，为实用化的高速率、大尺度量子网络的构建奠定了基础。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3