據(jù)報(bào)道，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。量子通信被認(rèn)為是絕對安全的通信方式，其基本原理是利用單個(gè)光子加密攜帶一個(gè)量子比特的資訊進(jìn)行傳輸。目前量子通信只能達(dá)到百公里量級， 要實(shí)現(xiàn)千公里以上的長程量子通信則需要基于量子存儲(chǔ)的量子中繼技術(shù)。

此前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的量子中繼方案，長程發(fā)送一個(gè)量子比特的資訊所需時(shí)間在分鐘量級以上。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(chǔ)技術(shù)，透過對光子比特進(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(chǔ)器需要對單量子態(tài)進(jìn)行長時(shí)間存儲(chǔ)且具備高讀出效率。

近年來，量子存儲(chǔ)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(chǔ)時(shí)間和效率方面同時(shí)滿足量子中繼需求。冷原子系綜是量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)重要物理體系，它的主要優(yōu)點(diǎn)包括操縱手段豐富、退相干機(jī)制簡單等。

為進(jìn)一步提升存儲(chǔ)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(dòng)等多項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使得原子運(yùn)動(dòng)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(chǔ)壽命達(dá)到0.22秒、讀出效率達(dá)到76%的高性能量子存儲(chǔ)器。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與2012年的工作相比，存儲(chǔ)壽命提升了近兩個(gè)數(shù)量級。

該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于，第一次將存儲(chǔ)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(chǔ)、高效通訊波段介面等技術(shù)，已原理上可支援透過量子中繼實(shí)現(xiàn)500公里以上糾纏分發(fā)，并超越光纖直接傳輸極限。

該研究工作得到了中科院量子資訊與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中科院-阿里巴巴量子計(jì)

研究歷程

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(chǔ)器，但該存儲(chǔ)時(shí)間仍與遠(yuǎn)距離量子中繼的實(shí)際需求相距較遠(yuǎn)。