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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和包小輝教授等采用冷原子系綜成功研制出百毫秒級高效量子存儲器，為遠(yuǎn)距離量子中繼系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該成果5月31日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上。

量子中繼可以解決光子信號在光纖內(nèi)指數(shù)衰減的重大難題，是未來實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離量子通信的重要途徑之一。量子中繼的基本原理是采用分段糾纏分發(fā)與糾纏交換相結(jié)合來拓展通信距離，其核心是量子存儲技術(shù)，通過對光子比特進(jìn)行緩存，可大幅提升糾纏連接效率。為滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求，量子存儲器需要對單量子態(tài)進(jìn)行長時(shí)間存儲且具備高讀出效率。

近年來，量子存儲的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展很快，但到目前為止，還沒有一個(gè)體系能夠在存儲時(shí)間和效率方面同時(shí)滿足量子中繼需求。2012年，潘建偉、包小輝等首次實(shí)現(xiàn)了毫秒級的高效量子存儲器，但該存儲時(shí)間仍與遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求相距較遠(yuǎn)。

為進(jìn)一步提升存儲時(shí)間，潘建偉小組近年來發(fā)展了三維光晶格限制原子運(yùn)動等多項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使得原子運(yùn)動導(dǎo)致的退相干得到大幅抑制，并最終成功實(shí)現(xiàn)了存儲壽命達(dá)到0.22秒、讀出效率達(dá)到76%的高性能量子存儲器。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2012年的工作相比，存儲壽命提升了近兩個(gè)數(shù)量級。

審稿人對這一工作的重要性給予高度認(rèn)可，并稱贊這一實(shí)驗(yàn)為“非凡絕技”。該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于，第一次將存儲壽命及讀出效率提升到能夠滿足遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求。據(jù)估算，該成果結(jié)合多模存儲、高效通訊波段接口等技術(shù)，已原理上可支持通過量子中繼實(shí)現(xiàn)500公里以上糾纏分發(fā)。