近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)史保森教授、張偉研究員、周志遠(yuǎn)副教授在長(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建方面取得重要突破：該團(tuán)隊(duì)利用無(wú)復(fù)雜光學(xué)腔的冷原子系綜，結(jié)合自主研制的高效偏振無(wú)關(guān)量子頻率轉(zhuǎn)換模塊，成功實(shí)現(xiàn)了原子與通信波段光子之間的糾纏，并使用20公里光纖進(jìn)行了遠(yuǎn)距離分發(fā)，驗(yàn)證了糾纏保真度大于80%。相關(guān)成果以“Long-Distance Distribution of Atom-Photon Entanglement Based on a Cavity-Free Cold Atomic Ensemble”為題，于2026年2月6日發(fā)表在《Physical Review Letters》上。
圖1.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
量子中繼器是實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算、量子密碼學(xué)和量子傳感等未來(lái)量子技術(shù)的關(guān)鍵，其核心是能夠產(chǎn)生、存儲(chǔ)并在遠(yuǎn)距離量子節(jié)點(diǎn)之間分發(fā)量子糾纏。以往的高性能冷原子系綜量子中繼器大多依賴(lài)復(fù)雜的光學(xué)腔結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，這在系統(tǒng)擴(kuò)展和實(shí)際部署中面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采用無(wú)復(fù)雜光學(xué)腔的冷原子系綜作為量子存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)選擇合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化磁場(chǎng)控制并提升光學(xué)厚度，實(shí)現(xiàn)了約55%的初始內(nèi)部讀出效率以及長(zhǎng)達(dá)160微秒的存儲(chǔ)壽命。這一簡(jiǎn)單、魯棒的量子存儲(chǔ)器，為構(gòu)建可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了新思路。
圖2.主要結(jié)果圖
研究的另一項(xiàng)重要亮點(diǎn)在于團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪聲的量子頻率轉(zhuǎn)換。團(tuán)隊(duì)自主研制了基于Sagnac干涉儀架構(gòu)的偏振無(wú)關(guān)量子頻率轉(zhuǎn)換模塊。該模塊采用腔增強(qiáng)差頻方案，利用周期性極化鈮酸鋰晶體，將原子系統(tǒng)產(chǎn)生的780nm光子高效地轉(zhuǎn)換至通信波段（1522nm），實(shí)現(xiàn)的外部量子效率最高可達(dá) 48.5%。同時(shí)，該頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程能夠保持光子偏振態(tài)不變，且附加噪聲水平極低，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、低損耗的單光子傳輸提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
該研究展示了一種結(jié)合簡(jiǎn)單無(wú)腔的量子存儲(chǔ)器與高效頻率轉(zhuǎn)換模塊的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)新范式，是邁向?qū)嵱没L(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)的重要一步，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)基于量子中繼的全球量子網(wǎng)絡(luò)提供了新的技術(shù)路徑。審稿人高度評(píng)價(jià)此項(xiàng)工作“reports a significant experimental achievement”，“a crucial step for real-world quantum communication. This work clearly validates the feasibility of utilizing such a cavity-free setup fordeployable quantum repeater architectures”，同時(shí)也是“notable technical achievement”。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王天宇、陳仁輝，副研究員李巖，西安交通大學(xué)博士生沈澤昊為論文共同第一作者。合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室張偉研究員以及中科大周志遠(yuǎn)副教授、史保森教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fzz2-3xf6
（量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
