近日，山西大學(xué)光電研究所王海教授、李淑靜教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在光學(xué)期刊Optica發(fā)表重要研究成果，在冷原子系綜中成功實(shí)現(xiàn)了量子存儲的糾纏交換，并借助空間復(fù)用技術(shù)將成功率提升三倍，這一突破向?qū)嵱没�量子中繼器邁出了重要一步。

量子網(wǎng)絡(luò)是量子信息領(lǐng)域的重要研究方向，可實(shí)現(xiàn)無條件安全的量子通信、分布式量子計算等應(yīng)用。然而，受限于光子傳輸損耗，量子糾纏信號無法直接長距離傳輸。量子中繼器通過分段建立糾纏并逐級擴(kuò)展，成為解決這一問題的核心方案。其中，糾纏交換是中繼器的關(guān)鍵操作，通過將兩個獨(dú)立糾纏對進(jìn)行貝爾態(tài)測量，實(shí)現(xiàn)糾纏距離的拓展。但此前，由于自旋波讀出效率低、存儲時間短、背景噪聲大等技術(shù)瓶頸，基于原子系綜存儲的糾纏交換未能實(shí)現(xiàn)。

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圖1. 原子系綜中量子記憶模式之間糾纏交換的原理圖。(a) 糾纏產(chǎn)生，(b) 糾纏交換。

研究團(tuán)隊(duì)采用冷銣原子系綜作為量子存儲器，結(jié)合Duan-Lukin-Cirac-Zoller方案和腔增強(qiáng)技術(shù)，在12個空間模式上生成非經(jīng)典關(guān)聯(lián)的自旋波-光子對，每個模式上自旋波的恢復(fù)效率都在65%以上。通過精巧的光路設(shè)計，將這12個空間模式分成4組，形成4個多（3）模的光與原子量子界面。使用這些多路復(fù)用的量子界面，他們同時制備了兩對原子記憶（自旋波）糾纏。通過對兩對獨(dú)立糾纏態(tài)進(jìn)行貝爾態(tài)測量，將之前未糾纏的兩個原子記憶模式投影到糾纏態(tài)，測得糾纏（concurrence）為0.0124 ± 0.0030，首次演示了原子系綜存儲器中糾纏交換的可行性。

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圖2. (a)糾纏concurrence隨存儲時間的變化關(guān)系，(b) 糾纏交換成功幾率隨模式數(shù)的變化關(guān)系。

相關(guān)研究成果 “Entanglement swapping with spatially multiplexed modes in an atomic-ensemble quantum memory in a single excitation regime”發(fā)表在Optica上。博士生王敏杰為論文的第一作者，通訊作者為王海教授和李淑靜教授，博士研究生焦浩樂、路迦進(jìn)等人參與了該工作。該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、山西省“1331”工程重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金、山西省基礎(chǔ)研究計劃、光量子技術(shù)與器件全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山西大學(xué)）以及省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（山西大學(xué)）的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.539388