十年十倍！“墨子號”實現1200公里地表量子態傳輸新紀錄

據中國科學技術大學5月5日消息，中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱、印娟等近日利用“墨子號”量子科學實驗衞星在遠距離的量子態傳輸方面取得重要實驗進展。該實驗首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸，向構建全球化量子信息處理和量子通信網絡邁出重要一步。

相關研究成果於4月26日在線發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上[Physical Review Letters 128, 170501 (2022)]。據新華網報道，審稿人認為，“這個實驗比以前的實驗更具挑戰性，克服了重大技術挑戰，對未來量子通信應用具有重要意義。”

2012年，潘建偉團隊在國際上首次實現百餘公里自由空間量子隱形傳態。10年後，他們成功實現突破，創造了1200公里地表量子態傳輸的新世界紀錄。

遠距離量子態傳輸（Quantum state transfer, QST）通常可以利用量子隱形傳態來實現，是構建量子通信網絡的重要實現途徑之一，也是實現多種量子信息處理任務的必要元素。通過遠距離量子糾纏分發的輔助，量子態可通過測量然後再重構的方式完成遠距離的傳輸，傳輸距離在理論上可以是無窮遠。但在實現中，量子糾纏分發的距離和品質會受到信道損耗、消相干等因素的影響，如何不斷突破傳輸距離的限制，一直是該領域的重要研究目標之一。

利用星載糾纏源向遙遠的兩地先進行糾纏分發，再進行量子態的製備與重構，是實現遠距離量子態傳輸的最可能路徑之一。然而，由於大氣湍流的影響，光子在大氣信道中傳播後，實現基於量子干涉的量子態測量是非常困難的。在以往的實驗中，量子態傳輸的製備方都是量子糾纏源的擁有者，無法真正意義上由第三方提供糾纏來實現先分發後傳態的量子態傳輸。2016年，隨着“墨子號”量子科學實驗衞星的成功發射，研究團隊首先實現了千公里的雙站糾纏分發[Science356, 1140 (2017)]，“墨子號”平台為量子通信實驗提供了寶貴的糾纏分發資源。

圖1 千公里量子態傳輸

為了克服遠距離湍流大氣傳輸後的量子光干涉難題，實驗團隊利用光學一體化粘接技術實現了具有超高穩定性的光干涉儀，無需主動閉環即可長期穩定。利用該技術突破，結合基於雙光子路徑-偏振混合糾纏態的量子隱形傳態方案，在雲南麗江站和德令哈地面站之間完成了遠程量子態的傳輸驗證。實驗中對六種典型的量子態進行了驗證，傳送保真度均超越了經典極限。千公里的距離為目前地表量子態傳輸的新紀錄。該工作為未來構建全球化的量子信息處理網絡奠定了重要基礎。

中國科大博士後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、國家自然科學基金委、科技部、安徽省、上海市等的支持。