量子不可克隆定律賦予了量子通信基于物理學(xué)原理的安全性，而這一定律也決定了光子傳輸損耗不能使用傳統(tǒng)的放大器來克服，這使得遠(yuǎn)程量子通信成為當(dāng)今量子信息科學(xué)的核心難題之一。

   量子中繼和可移動(dòng)量子存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信的兩種可行方案，其共性需求是高性能的量子存儲(chǔ)器。在量子中繼方面，國際已有實(shí)驗(yàn)研究都聚焦于發(fā)射型存儲(chǔ)器的架構(gòu)，無法同時(shí)滿足確定性發(fā)光和多模式復(fù)用這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需求。可移動(dòng)量子存儲(chǔ)方面，國際上光存儲(chǔ)的時(shí)間最長僅1分鐘，無法滿足可移動(dòng)量子存儲(chǔ)小時(shí)量級(jí)存儲(chǔ)時(shí)間的需求。

   中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)研究組基于稀土離子摻雜晶體研制出高性能的固態(tài)量子存儲(chǔ)器，并在上述兩條技術(shù)路線上取得了重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了一種基于吸收型存儲(chǔ)器的多模式量子中繼，并成功將光存儲(chǔ)時(shí)間提升至1小時(shí)。相關(guān)成果于2021年4月22日和6月2日分別發(fā)表于《自然—通訊》和《自然》。

   研究組基于參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)制備了兩套糾纏光源，并基于獨(dú)創(chuàng)的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了兩套固態(tài)量子存儲(chǔ)器。每對(duì)糾纏光子中的一個(gè)光子被“三明治”型量子存儲(chǔ)器所存儲(chǔ)，而每對(duì)糾纏光子中的另一個(gè)光子被同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)進(jìn)行貝爾態(tài)檢驗(yàn)。一次成功的貝爾態(tài)檢驗(yàn)會(huì)完成一次成功的糾纏交換操作，使得兩個(gè)空間分離3.5米的固態(tài)量子存儲(chǔ)器之間建立起量子糾纏，盡管這兩個(gè)存儲(chǔ)器沒有發(fā)生任何直接的相互作用。量子中繼基本鏈路的演示實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了4個(gè)時(shí)間模式的復(fù)用，使得糾纏分發(fā)的速率提升了4倍，實(shí)測(cè)的糾纏保真度達(dá)到了80.4%。該工作證實(shí)了基于吸收型量子存儲(chǔ)構(gòu)建量子中繼的可行性，并首次展現(xiàn)了多模式復(fù)用在量子中繼中的加速作用。

   研究組結(jié)合理論預(yù)言首次實(shí)驗(yàn)測(cè)定摻銪硅酸釔晶體在ZEFOZ磁場(chǎng)下的完整能級(jí)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究組結(jié)合原子頻率梳（AFC）量子存儲(chǔ)方案以及ZEFOZ技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的長壽命存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中光信號(hào)首先被AFC吸收成為銪離子系統(tǒng)的光學(xué)激發(fā)，接著被轉(zhuǎn)移為自旋激發(fā)，經(jīng)歷一系列自旋保護(hù)脈沖操作后，最終被讀取為光信號(hào)，總存儲(chǔ)時(shí)間長達(dá)1小時(shí)。■