近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事包小輝、張強等，將長壽命冷原子量子存儲技術與量子頻率轉換技術相結合，採用現場光纖在相距直線距離12.5公里的獨立量子存儲節點間建立糾纏。相關研究成果於近日發表在《物理評論快報》上，並被美國物理學會（APS）下屬網站Physics報導。

量子網絡的基本單元是遠距離雙節點糾纏。通過採用量子存儲技術對光子進行存儲，將使不同節點間的高效糾纏連接成為可能。構建存儲器間糾纏並拓展節點間距一直是量子網絡方向的研究熱點。已實現的雙節點糾纏實驗中，最遠直線距離僅為1.3公里。2020年潘建偉團隊在此方向取得突破【Nature 578, 240 (2020)】，將雙節點糾纏的光纖鏈路距離拓展至50公里。然而該實驗中，兩台量子存儲器位於同一間實驗室，並未實現長程分離。

為實現長程分離的存儲器間糾纏，每個量子存儲裝置需能夠獨立操控。在該研究中，節點A位於合肥市創新產業園，節點B位於中國科大東區，二者之間由20.5公里的光纖進行連接。團隊在節點A產生了具有長壽命的光與原子糾纏，並將產生的單光子經過頻率轉換後發送到節點B，節點B將收到的光子再次頻率轉換後採用另一台量子存儲器進行存儲。

研究團隊採用激光冷卻的銣原子進行量子存儲，其光子波長為795納米，並不適合在長光纖內傳輸。採用由濟南量子研究院研製的周期極化鈮酸鋰波導，團隊將光子波長轉移至1342納米，極大地降低了光子在長光纖內的衰減。該工作的另一難點在於長壽命量子存儲，存儲壽命需超過光子傳輸時間。為此，團隊設計了一個新型的光與原子糾纏產生方案，在獲得長存儲壽命的同時，產生的光子比特編碼在時間自由度上，非常適合頻率變換以及遠距離傳輸。

以此為基礎，研究團隊成功實現了獨立存儲器間的遠距離糾纏。該工作為後續構建多節點量子網絡原型系統、進行量子物理檢驗、探索器件無關量子密鑰分發等應用奠定了基礎。相關研究工作得到科學技術部部、安徽省、國家自然科學基金委、合肥國家實驗室等的支持。

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量子存儲節點分佈示意圖