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(chǎng)存儲(chǔ)到多個(gè)原子系綜，從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)空間分離的量子節(jié)點(diǎn)之間確定性量子糾纏的制備、存儲(chǔ)和釋放，為量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)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(diǎn)和量子通道構(gòu)成。量子節(jié)點(diǎn)用于量子信息的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)，所以是實(shí)現(xiàn)量子節(jié)點(diǎn)的理想選擇之一。首先在多個(gè)空間分離的量子節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)和存儲(chǔ)量子糾纏；然后在用戶掌控瞬間將存儲(chǔ)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(lái)發(fā)展量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置。Part I：三組份光學(xué)糾纏的產(chǎn)生系統(tǒng)；Part II：光場(chǎng)糾纏到原子系綜的映射系統(tǒng)；Part III：糾纏驗(yàn)證系統(tǒng)
賈曉軍課題組利用三套簡(jiǎn)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(chǎng)；然后，通過(guò)聲光調(diào)制器將其轉(zhuǎn)換為糾纏光脈沖，用于量子存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的波長(zhǎng)可以和銣原子D1吸收線相匹配。
在量子寫(xiě)入的過(guò)程中，利用電磁誘導(dǎo)透明的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，將該三組份糾纏態(tài)存儲(chǔ)到空間分離的三個(gè)原子系綜中，通過(guò)量子態(tài)映射的方法建立了三個(gè)原子系綜之間的量子糾纏；在原子相干時(shí)間內(nèi)，通過(guò)量子讀出過(guò)程將量子糾纏從原子系綜映射到量子通道中的光場(chǎng)，用于原子系綜量子態(tài)的驗(yàn)證以及量子糾纏態(tài)的進(jìn)一步分發(fā)。在1000 ns的存儲(chǔ)時(shí)間后，研究團(tuán)隊(duì)分析了三個(gè)釋放光脈沖的關(guān)聯(lián)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。該結(jié)果表明：三個(gè)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(gè)原子系綜具有保持三組份糾纏的能力，也就是在三個(gè)原子系綜之間實(shí)現(xiàn)了確定性的類GHZ糾纏態(tài)的建立和存儲(chǔ)。
圖2 實(shí)驗(yàn)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(chǔ)時(shí)間后釋放光學(xué)子模對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)起伏；
該研究表明在多個(gè)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(shí)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(chǎng)已經(jīng)由該研究組實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，這一方案能夠直接推廣到包含更多個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的大尺度量子網(wǎng)絡(luò)，在開(kāi)發(fā)下一代基于連續(xù)變量光場(chǎng)和原子系綜的分布量子計(jì)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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