中国科学技术大学教授潘建伟和包小辉等采用冷原子系综，在国际上首次研制出百毫秒级高效量子存储器，为远距离量子中继系统的构建奠定了坚实基础。该成果日前发表在国际权威学术期刊《自然·光子学》上。
量子中继对于量子通信有多重要？
量子中继器：量子通信系统使用纠缠光子对为信号源，而量子中继器通过纠缠制备、纠缠分发、纠缠纯化和纠缠交换来实现中继功能的转换器。 量子信号的传输距离由中继级数决定。使用这种中继器的量子通信系统可以用于长距离量子通信。
量子中继可以解决光子信号在光纤内指数衰减的重大难题，是未来实现超远距离量子通信的重要途径之一。其基本原理是采用分段纠缠分发与纠缠交换相结合来拓展通信距离，核心是量子存储技术，通过对光子比特进行缓存，可大幅提升纠缠连接效率。为满足远距离量子中继的实际需求，量子存储器需要对单量子态进行长时间存储且具备高读出效率。
一般来说，经典通信中，在利用中继技术恢复信号的能量同时，起了两个方面的作用：一方面恢复了信号的传输特性，另一方面表示信息的比特也随之得到了恢复。与经典中继器不同，量子中继器不是一个放大器，需要利用盆子态的纠缠与交换来实现量子中继功能。
量子通信中的信息载体一童子信号具有量子特性，传输和最终检测的核心部分不是能量而是信号的某种量子状态。研究表明，量子信号的状态同时受到经典噪声和量子嗓声的影响，这些噪声会导致量子比特的退相千现象发生，从而导致信息丢失，使得量子通信不能正常进行。另一方面，经典噪声使得t 子信号的传输特性不断衰减，导致量子信号不断变弱，最终难以检测。
因此，量子中继应该具有两个方面的功能：
1、通过补充量子信号的能量实现量子信号的稳定传输
2、在补充量子信号能量的同时,，保证量子信号携带的量子比特不发生改变
近年来，量子存储的实验研究进展很快，众多物理体系的存储指标均在不断进步。然而到目前为止，还没有一个体系能够在存储时间和效率方面同时满足量子中继需求。冷原子系综是量子存储实验研究的一个重要物理体系，它的主要优点包括操纵手段丰富、退相干机制简单等。2012年，潘建伟、包小辉等首次实现了毫秒级的高效量子存储器，但该存储时间仍与远距离量子中继的实际需求相距较远。
为进一步提升存储时间，近年来发展了三维光晶格限制原子运动等多项关键实验技术，使得原子运动导致的退相干得到大幅抑制，并最终成功实现了存储寿命达到0.22秒、读出效率达到76%的高性能量子存储器。该实验的重要意义在于，第一次将存储寿命及读出效率提升到能够满足远距离量子中继的实际需求。据估算，该成果结合多模存储、高效通讯波段接口等技术，在原理上已经可支持通过量子中继实现500公里以上纠缠分发。
原文发布时间为：2017-03-23
本文作者： DeepTech深科技
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