近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在量子信息領域取得重要進展，首次在實驗上利用量子存儲器實現高效制備非局域圖態，展示了量子存儲器在大規模分布式系統中進行量子信息處理和量子測量的應用前景。
圖態是一類重要的多體糾纏態，因其廣泛的應用前景而不斷受到研究人員的關注，包括測試量子力學基本概念、量子計算、量子密碼學和量子計量學等。之前的實驗制備圖態，特別是線性光學系統中的GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger）態，其制備效率隨系統規模呈現指數衰減定律，這限制了其在大規模量子網絡中的應用。為了克服非局域圖態制備的可擴展性問題，段路明等提出了一套高效制備圖態的理論方案，制備效率隨系統規模呈現多項式衰減。該方案的核心思想是，不參與后期操作的光子可以被提前測量和后選擇；然后利用長壽命量子存儲器以分治的方法生成大規模圖態。然而由于實驗技術方面存在的困難，該方案此前未能實現。
實驗方案示意圖
在此項工作中，研究人員通過將超低溫的銣原子氣體囚禁在光晶格中，并利用原子基態能級當中一對鐘態能級躍遷，成功將冷原子量子存儲器的相干時間提升至數十毫秒量級。研究人員先利用第一個量子存儲器（QM1）產生一對光子和原子之間的糾纏態并將量子態存儲下來，然后再利用第二個量子存儲器（QM2）產生第二對光子和原子之間的糾纏態，最后同時讀取兩個量子存儲器內部的量子態并將他們投影到目標的四光子GHZ態上。研究結果表明，通過這種方式產生的四光子GHZ態，其制備效率線性正比于單個EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）糾纏對制備效率，與沒有使用量子存儲方案所導致的制備效率正比于單個EPR糾纏對制備效率二次方關系相比，改變了制備效率在規模化上的復雜度。當未來需要連接N對糾纏對時，其制備效率將從指數衰減量級上升到多項式級別，展示了量子存儲方案在制備大規模圖態的優越性。此外，研究人員還進一步利用制備的四光子GHZ態驗證了MABK不等式，并演示了量子密碼學當中的量子秘鑰分發協議。此項工作實現了一個高效制備大規模圖態的原型，從而為其在量子信息科學和量子計量中的各種應用邁出了重要的一步。
四光子GHZ態制備效率提升
該成果的研究論文“量子存儲器增強的非局域圖態制備”(Quantum-Memory-Enhanced Preparation of Nonlocal Graph states)于近日發布在國際學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
該論文的共同第一作者為清華大學交叉信息院博士后張勝和助理教授吳宇愷，通訊作者為段路明教授，其他作者還包括交叉信息院博士畢業生李暢（現為法國斯特拉斯堡大學博士后）、蔣楠（現為北京師范大學講師）和助理教授濮云飛。該項目得到了國家重點研發計劃、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學自主科研計劃、清華大學科研啟動基金、清華大學水木學者計劃和博士后國際交流計劃引進項目的資助與支持。
