基于腔增强的量子存储实现多个量子节点之间的确定性量子纠缠

High efficiency quantum memory and quantum entanglement establishment among quantum nodes are fundamental for establishing quantum networks, and the building blocks for high fidelity quantum information processing, long distance quantum communication and multi-user quantum networks. This funding focuses on high efficiency continuous-variable (CV) quantum memory and generation of CV quantum entanglement among multiple quantum nodes, which mainly includes: (1) realization of high efficiency and deterministic CV quantum memory with the help of cavity enhanced interaction of light and atom, and (2) generation and application of deterministic CV quantum entanglement among multiple spatially separated atomic ensembles based on high efficiency quantum memory. By means of cavity enhanced approach, memory efficiency can be improved up to 50%, as well as multipartite atomic-ensemble entangled state is scalable. This achievement is the base for the development of quantum state memory and transfer among quantum nodes, and quantum computation based on atomic ensembles.

高效率的量子存储以及多个量子节点之间的量子纠缠的建立是构建量子网络的重要手段，对于实现高保真度量子信息处理、远距离量子通讯和多用户量子网络具有重要的意义。本项目拟围绕高效率的连续变量量子存储和多个量子节点之间的连续变量量子纠缠的制备开展研究工作，主要包括：（1）利用腔增强光和原子系综相互作用的方法，实现高效率和确定性的连续变量量子存储；（2）基于高效率量子存储的方法，实现多个空间分离的原子系综之间的确定性连续变量量子纠缠的制备及其应用。通过腔增强的方法，使量子存储效率提高至50%，并且多组份原子系综之间的量子纠缠具有很好的可扩展性。通过本项目的实施，对于量子态在量子节点之间的存储和传输、基于原子系综的量子计算具有重要的意义。

量子存储是实现量子信息的重要资源。随着量子网络的发展,非经典光场与原子之间的相互作用已经成为目前量子信息研究的热门课题之一。连续变量非经典光由于具有确定性制备、操控和测量的优势，可以广泛应用于量子网络的研究。连续变量非经典光（压缩态、纠缠态）的量子存储需要高保真度的量子存储。该项目围绕腔增强量子存储及非经典光在量子网络中的应用开展了实验和理论研究，主要完成了如下方面的工作：通过光学谐振同时增强光和原子的相互作用和有效抑制存储噪声的方法，建立了高保真度的量子存储系综。通过腔增强方法，量子存储效率达到78±1%；量子噪声接近真空决定的量子噪声极限；在不同平均光子数和存储时间下，实验测得的平均保真度大于经典保真度的边界。在腔增强的量子存储基础上分别提出了多个空间分离的原子系综之间的连续变量量子纠缠和原子系综之间连续变量纠缠蒸馏的方案。在优化压缩态和纠缠态的基础上，开展了连续变量非经典光在量子网络中的应用研究。构建了量子干涉仪，实现了同时放大相敏场强和压缩量子噪声的微弱相位测量；利用贝叶斯方式实现了压缩热态增强的相位估算；在光纤通道中实现了相距6公里的确定性量子远程传态；利用四组份束缚纠缠光场实现了多用户的量子秘密共享；实现了连续变量半设备无关量子随机数发生器。因此，本项目的研究结果可以为量子网络的应用提供实验和理论基础。