國際物理學權威期刊Physical Review Letters以“Multi-user time-energy entanglement swapping based on dense wavelength division multiplexed and sum-frequency generation”為題發表了上海交通大學物理與天文學院陳險峰教授研究組與合作者在量子信息研究領域的最新成果。研究人員提出了一種基於量子糾纏交換的密集波分複用（DWDM）量子網絡，並在實驗上證明了它的可行性，這對未來構建大規模的光纖量子網絡具有重要意義。該論文已於12月20日在線發表。
量子網絡是應用量子信息和檢驗量子理論的重要平臺。量子網絡中的每個用戶不僅通過糾纏分發來共享密鑰以實現無條件的安全通信，而且還執行貝爾態測量以實現量子信息處理任務，例如量子隱形傳態和量子糾纏交換。糾纏交換可以在兩個沒有發生相互作用、獨立的光子之間建立量子糾纏，這是構建大規模量子網絡的基礎。貝爾態測量是實現量子糾纏交換的核心技術。但是，由於線性光學貝爾態測量的侷限性，人們只能識別兩個貝爾態，而另兩個貝爾態無法分辨，這使得這種糾纏交換方法在沒有後選擇的情況下無法使用。幸運的是，人們已經證明基於非線性和頻（SFG）方法的貝爾態測量可以實現無需進行後選擇、確定性的量子糾纏交換。此外，已經通過實驗證明了單光子在通信波長之間的SFG，並且在理論上可以獲得保真度大於90％的可見光範圍內的一對預報糾纏光子。然而，基於SFG過程生成的可見光波長的糾纏光子對不能用於光纖網絡，並且通信用戶的數量也僅限於兩個用戶。多用戶量子網絡通過使用SFG可以擴展量子糾纏交換的優勢，即網絡中的任何兩個用戶都能建立通信波長的量子糾纏，並且可以通過產生的糾纏態來執行不同的量子信息處理任務，例如量子直接通信。
研究組在過去基於集成鈮酸鋰波導成功實現單光子非線性和頻的基礎上，提出了一種基於糾纏交換的DWDM量子網絡，其中單光子源將通信波長中的N個量子態（N/2個糾纏態）分配給N個遠距離用戶，每個用戶只操縱一個特定頻率的光子。通過基於SFG的貝爾態測量，所有遠方的用戶都處於完全連接的圖中，如圖1所示。
圖1：基於量子糾纏交換的DWDM量子網絡
實驗中，研究組通過使用產生的單光子源證明了提出的多用戶網絡的可行性。將產生的單光子源的頻譜分為四個國際電信聯盟（ITU）通道分別分發給四個用戶。根據DWDM建立的光子頻率相關性，將兩組時間-能量糾纏態分發給了這四個用戶。基於任意兩個非糾纏光子之間的SFG，可以建立其他兩個獨立光子之間的糾纏，如圖2所示。
圖2：（左側）基於量子糾纏交換的DWDM量子網絡；（右側）任意兩個非糾纏光子之間的SFG。
研究組測量了四組不糾纏光子的SFG效率，並得到了對應產生的糾纏態的保真度大小，如圖3所示。實驗結果表明產生的糾纏態的保真度均大於90%。保真度大小僅取決於傳輸距離，與用戶數量多少無關，這使得構建的網絡適合構建大規模量子網絡。
圖3：（a）四組不糾纏光子的SFG效率；（b）對應產生的四組糾纏態的保真度。
研究組構建的網絡體系結構不需要任何信任的節點，並且所有用戶都可以通過建立糾纏來傳輸量子信息和共享安全密鑰。此外，這個網絡可以實現200公里以上的糾纏分發。由於構建量子網絡的可擴展性，它可以用於真實的量子系統，例如點對點量子直接通信。實驗方案和結果對構建大規模的光纖量子網絡具有重要意義。
本論文第一作者是李淵華博士，2017年在上海交通大學獲得博士學位（導師：陳險峰）後，在江西師範大學從事科研和教學工作。李淵華博士現在陳險峰教授研究組從事博士後（在職）研究。陳險峰教授為論文的通訊作者。論文的合作者為上海交通大學袁璐琦特別研究員、江西師範大學桑明煌教授和聶義友教授。研究工作得到了國家重點研究計劃項目（項目編號No. 2017YFA0303701），國家自然科學基金（項目編號No. 11734011、11804135、11764021，61765008）和上海市科委重大項目（項目編號 No. 17JC1400402）的資助。
論文連接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.250505
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