近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱、印娟等利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在遠(yuǎn)距離的量子態(tài)傳輸方面取得重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。相關(guān)研究成果于4月26日在線發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上[Physical Review Letters 128, 170501 （2022）]。
遠(yuǎn)距離量子態(tài)傳輸（Quantum state transfer, QST）通常可以利用量子隱形傳態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，是構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)的重要實(shí)現(xiàn)途徑之一，也是實(shí)現(xiàn)多種量子信息處理任務(wù)的必要元素。通過(guò)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的輔助，量子態(tài)可通過(guò)測(cè)量然后再重構(gòu)的方式完成遠(yuǎn)距離的傳輸，傳輸距離在理論上可以是無(wú)窮遠(yuǎn)。但在實(shí)現(xiàn)中，量子糾纏分發(fā)的距離和品質(zhì)會(huì)受到信道損耗、消相干等因素的影響，如何不斷突破傳輸距離的限制，一直是該領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一。
利用星載糾纏源向遙遠(yuǎn)的兩地先進(jìn)行糾纏分發(fā)，再進(jìn)行量子態(tài)的制備與重構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子態(tài)傳輸?shù)淖羁赡苈窂街弧Ｈ欢捎诖髿馔牧鞯挠绊懀庾釉诖髿庑诺乐袀鞑ズ螅瑢?shí)現(xiàn)基于量子干涉的量子態(tài)測(cè)量是非常困難的。在以往的實(shí)驗(yàn)中，量子態(tài)傳輸?shù)闹苽浞蕉际橇孔蛹m纏源的擁有者，無(wú)法真正意義上由第三方提供糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)先分發(fā)后傳態(tài)的量子態(tài)傳輸。2016年，隨著“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的成功發(fā)射，研究團(tuán)隊(duì)首先實(shí)現(xiàn)了千公里的雙站糾纏分發(fā)[Science356, 1140 （2017）]，“墨子號(hào)”平臺(tái)為量子通信實(shí)驗(yàn)提供了寶貴的糾纏分發(fā)資源。
為了克服遠(yuǎn)距離湍流大氣傳輸后的量子光干涉難題，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)一體化粘接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有超高穩(wěn)定性的光干涉儀，無(wú)需主動(dòng)閉環(huán)即可長(zhǎng)期穩(wěn)定。利用該技術(shù)突破，結(jié)合基于雙光子路徑-偏振混合糾纏態(tài)的量子隱形傳態(tài)方案，在云南麗江站和德令哈地面站之間完成了遠(yuǎn)程量子態(tài)的傳輸驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中對(duì)六種典型的量子態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證，傳送保真度均超越了經(jīng)典極限。千公里的距離為目前地表量子態(tài)傳輸?shù)男录o(jì)錄。該工作為未來(lái)構(gòu)建全球化的量子信息處理網(wǎng)絡(luò)奠定了重要基礎(chǔ)。
中國(guó)科大博士后李波和曹原副研究員是該工作的共同第一作者。該工作得到了中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。