中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的教授潘建偉等人首次在國際上成功實現(xiàn)了全光量子中繼器的原理性驗證，這是量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個大突破，它為光纖量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)開辟了新途徑。令人可喜的是，該成果于在國際學(xué)術(shù)權(quán)威期刊《自然·光子學(xué)》上成功發(fā)表了。

在遠(yuǎn)距離量子通信的過程中，信道傳遞的量子態(tài)往往隨著通信距離的增加而指數(shù)減少，這極大地限制了量子通信的有效傳輸距離。如何實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信一直以來都是國際研究的熱點。目前主要有兩種解決方案。其一是在幾乎真空，量子信號損耗極小的外太空，利用衛(wèi)星擴(kuò)展量子通信距離;我國于2016年成功發(fā)射了國際首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，成功驗證了這一方案的可行性。其二是在光纖網(wǎng)絡(luò)中使用量子中繼器，將一段長距離光纖信道分割成多段距離比較短的信道，使得量子信號不再隨距離的增加而指數(shù)衰減，從而擴(kuò)展量子通信距離。

鑒于量子中繼器的重要科學(xué)和應(yīng)用價值，國際上關(guān)于量子中繼器研究的競爭非常激烈。傳統(tǒng)量子中繼器需要基于糾纏交換、糾纏純化、量子存儲三個必不可少的技術(shù)。然而，目前的量子存儲性能有限，實現(xiàn)實用化量子中繼器還需假以時日。全光量子中繼方案在理論上可以實現(xiàn)無需量子存儲的量子中繼器，為利用量子中繼器實現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)提供了另一種原則上可行的方案。

在該項工作中，研究團(tuán)隊首先對原始的全光量子中繼方案進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了實驗可行的方案。在該方案中，研究團(tuán)隊使用了光子GHZ態(tài)和后選擇貝爾測量來實現(xiàn)不同信道間光子對的任意連接，從而有效地提升量子信道中糾纏態(tài)的分發(fā)成功概率。然后，研究團(tuán)隊利用六個獨立的參量下轉(zhuǎn)換雙光子糾纏源，在實驗上成功地搭建了一個基于十二光子的全光量子中繼器，測試了該量子中繼器的各方面性能，并在實驗上驗證了其相比于糾纏交換方案的優(yōu)勢。實驗結(jié)果顯示，全光量子中繼器可以有效提升量子態(tài)的傳輸速率，從而拓展量子通信的傳輸距離。

該項工作成功驗證了全光量子中繼器的可行性，在原理上使得量子存儲器不再是搭建量子中繼器的必要條件，為實用化量子中繼器的研究開辟了新途徑。