由多路复用量子存储器实现的长距离量子隐形传态

量子隐形传态是一种允许在两个遥远的量子对象(发送者和接收者)之间传输量子信息的技术，使用称为量子纠缠的现象作为资源。这个过程的独特之处在于，实际信息并不是通过连接双方的通信通道发送量子比特(qubits)来传递的;相反，信息在一个位置被销毁并出现在另一个位置，而无需在两者之间进行物理传输。这种令人惊讶的特性是由量子纠缠以及经典比特的传输实现的。

如今，量子通信和量子网络领域对量子隐形传态产生了浓厚的兴趣，因为它允许使用先前共享的纠缠在网络节点之间远距离传输量子比特。这将有助于将量子技术集成到当前的电信网络中，并将这些系统支持的超安全通信扩展到很远的距离。此外，量子隐形传态允许在不同种类的量子系统之间传输量子信息，例如在光和物质之间或在不同种类的量子节点之间。

量子隐形传态在 90 年代初从理论上提出，并由世界各地的几个小组进行了实验演示。尽管科学界在如何进行这些实验方面已经获得了丰富的经验，但仍然存在一个悬而未决的问题，即如何以实用的方式传送信息，从而在扩展网络上实现可靠、快速的量子通信。很明显，这样的基础设施应该与当前的电信网络兼容。此外，量子隐形传态协议要求对隐形传态的量子比特进行最终操作，以隐形传态测量(由经典比特传输)的结果为条件，以便以更高的速率忠实地传输信息，这是一个特征称为主动前馈。这意味着接收器需要一种称为量子存储器的设备，该设备可以存储量子位而不会降低它的质量，直到可以实施最终操作为止。最后，这种量子存储器应该能够以多路复用方式运行，以在发送者和接收者相距很远时最大限度地提高传送信息的速度。迄今为止，还没有实施将这三个要求纳入同一个演示中。

在最近发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，由 ICFO Hugues de Riedmatten的 ICREA 教授领导的ICFO 研究人员Dario Lago-Rivera、Jelena V. Rakonjac、Samuele Grandi报告称实现了量子信息从光子到固体的长距离隐形传态状态量子位，存储在多路复用量子存储器中的光子。该技术涉及主动前馈方案的使用，该方案与记忆的多模态一起允许最大化隐形传送率。拟议的架构与电信渠道兼容，从而实现了未来长距离量子通信的集成和可扩展性。

如何实现量子隐形传态

该团队建立了两个实验装置，在社区的行话中通常称为爱丽丝和鲍勃。这两个设置通过一根 1 公里长的光纤连接在一个线轴上，以模拟双方之间的物理距离。

实验涉及三个光子。在第一个装置 Alice 中，团队使用一种特殊的晶体来创建两个纠缠光子：第一个光子在 606 nm，称为信号光子，第二个光子称为空闲光子，与电信基础设施兼容。一旦创建，“我们将第一个 606 nm 光子保存在 Alice 处，并将其存储在多路复用固态量子存储器中，将其保存在存储器中以供将来处理。同时，我们将在 Alice 产生的电信光子通过 1 公里的光纤发送到第二个实验装置，称为 Bob，”Dario Lago 回忆道。

在第二个设置中，鲍勃，科学家们有另一个晶体，在那里他们创造了第三个光子，他们在那里编码了他们想要传送的量子位。一旦第三个光子被创造出来，第二个光子就从爱丽丝那里到达了鲍勃，这就是隐形传态实验的核心所在。

传送信息超过 1 公里

第二个和第三个光子通过所谓的贝尔状态测量 (BSM) 相互干扰。这种测量的效果是混合了第二个和第三个光子的状态。由于第一个和第二个光子一开始就纠缠在一起，即它们的联合状态高度相关，BSM 的结果是将第三个光子中编码的信息传输到第一个光子，存储爱丽丝在 1 公里外的量子存储器中。正如 Dario Lago 和 Jelena Rakonjac 所提到的，“我们能够在两个以前从未接触过的光子之间传递信息，但是通过确实与第一个光子纠缠在一起的第三个光子连接起来。这个实验的独特之处在于我们采用了一个多路复用的量子存储器，能够将第一个光子存储足够长的时间，这样当爱丽丝发现相互作用已经发生时，我们仍然能够处理传送的信息作为协议要求”。

Dario 和 Jelena 提到的这个处理就是前面提到的主动前馈技术。根据 BSM 的结果，将相移应用于存储器中存储后的第一个光子。这样，相同的状态将始终编码在第一个光子中。否则，将不得不丢弃一半的传送事件。此外，量子存储器的多模态性使他们能够将隐形传送速率提高到超过它们之间 1 公里间隔所施加的限制，而不会降低传送的量子比特的质量。总的来说，这导致隐形传态比单模量子存储器高出三倍，仅受经典硬件速度的限制。

可扩展性和集成

该小组于 2021 年进行的实验首次实现了两个相距 10 米并由电信波长的光子预示的多模量子存储器的纠缠，这是该实验的先驱。

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