近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上利用量子存儲器實(shí)現(xiàn)高效制備非局域圖態(tài)，展示了量子存儲器在大規(guī)模分布式系統(tǒng)中進(jìn)行量子信息處理和量子測量的應(yīng)用前景。

 

圖態(tài)是一類重要的多體糾纏態(tài)，因其廣泛的應(yīng)用前景而不斷受到研究人員的關(guān)注，包括測試量子力學(xué)基本概念、量子計(jì)算、量子密碼學(xué)和量子計(jì)量學(xué)等。之前的實(shí)驗(yàn)制備圖態(tài)，特別是線性光學(xué)系統(tǒng)中的GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger）態(tài)，其制備效率隨系統(tǒng)規(guī)模呈現(xiàn)指數(shù)衰減定律，這限制了其在大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。為了克服非局域圖態(tài)制備的可擴(kuò)展性問題，段路明等提出了一套高效制備圖態(tài)的理論方案，制備效率隨系統(tǒng)規(guī)模呈現(xiàn)多項(xiàng)式衰減。該方案的核心思想是，不參與后期操作的光子可以被提前測量和后選擇；然后利用長壽命量子存儲器以分治的方法生成大規(guī)模圖態(tài)。然而由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面存在的困難，該方案此前未能實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)方案示意圖

 

在此項(xiàng)工作中，研究人員通過將超低溫的銣原子氣體囚禁在光晶格中，并利用原子基態(tài)能級當(dāng)中一對鐘態(tài)能級躍遷，成功將冷原子量子存儲器的相干時(shí)間提升至數(shù)十毫秒量級。研究人員先利用第一個(gè)量子存儲器（QM1）產(chǎn)生一對光子和原子之間的糾纏態(tài)并將量子態(tài)存儲下來，然后再利用第二個(gè)量子存儲器（QM2）產(chǎn)生第二對光子和原子之間的糾纏態(tài)，最后同時(shí)讀取兩個(gè)量子存儲器內(nèi)部的量子態(tài)并將他們投影到目標(biāo)的四光子GHZ態(tài)上。研究結(jié)果表明，通過這種方式產(chǎn)生的四光子GHZ態(tài)，其制備效率線性正比于單個(gè)EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）糾纏對制備效率，與沒有使用量子存儲方案所導(dǎo)致的制備效率正比于單個(gè)EPR糾纏對制備效率二次方關(guān)系相比，改變了制備效率在規(guī)?；系膹?fù)雜度。當(dāng)未來需要連接N對糾纏對時(shí)，其制備效率將從指數(shù)衰減量級上升到多項(xiàng)式級別，展示了量子存儲方案在制備大規(guī)模圖態(tài)的優(yōu)越性。此外，研究人員還進(jìn)一步利用制備的四光子GHZ態(tài)驗(yàn)證了MABK不等式，并演示了量子密碼學(xué)當(dāng)中的量子秘鑰分發(fā)協(xié)議。此項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效制備大規(guī)模圖態(tài)的原型，從而為其在量子信息科學(xué)和量子計(jì)量中的各種應(yīng)用邁出了重要的一步。

四光子GHZ態(tài)制備效率提升

 

該成果的研究論文“量子存儲器增強(qiáng)的非局域圖態(tài)制備”(Quantum-Memory-Enhanced Preparation of Nonlocal Graph states)于近日發(fā)布在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

 

該論文的共同第一作者為清華大學(xué)交叉信息院博士后張勝和助理教授吳宇愷，通訊作者為段路明教授，其他作者還包括交叉信息院博士畢業(yè)生李暢（現(xiàn)為法國斯特拉斯堡大學(xué)博士后）、蔣楠（現(xiàn)為北京師范大學(xué)講師）和助理教授濮云飛。該項(xiàng)目得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)科研啟動(dòng)基金、清華大學(xué)水木學(xué)者計(jì)劃和博士后國際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目的資助與支持。