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清華大學交叉信息研究院段路明教授研究組在量子信息領域取得重要進展，首次實現(xiàn)了25個量子接口之間的量子糾纏。相比于先前加州理工學院研究組保持的4個量子接口之間糾纏的世界紀錄，糾纏的量子接口數(shù)目提高了約６倍。該成果的研究論文“25個可獨立操控的量子接口之間糾纏的實驗實現(xiàn)”（“Experimental entanglement of 25 individually accessible atomic quantum interfaces”），近日發(fā)表于《科學》子刊《科學?進展》（《Science Advances》）上。

圖1：在二維原子系綜量子接口陣列之間產(chǎn)生和驗證量子糾纏的實驗裝置圖

量子接口（Quantum interfaces）用于實現(xiàn)量子信息在光子和存儲粒子（通常為原子）之間的相干轉(zhuǎn)化，是連接量子存儲器或量子計算單元與光量子通信通道間的重要界面。類似于經(jīng)典接口的廣泛應用，量子接口是量子信息領域的基本元器件，實現(xiàn)量子接口之間的糾纏是構建量子網(wǎng)絡和未來量子互聯(lián)網(wǎng)的一個基本要求。在量子信息科學中，光子擁有最快的傳輸速度，是傳播量子信息的最佳載體，而原子擁有很長的量子相干時間，被廣泛用于量子信息的存儲。量子接口將光子和存儲原子連接起來，實現(xiàn)量子信息在不同載體間的高效相互轉(zhuǎn)換。

圖2：25個原子系綜量子接口陣列中量子糾纏的驗證。

2001年，段路明與合作者提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)量子中繼方案，建議用原子系綜作為光子與存儲器之間的量子接口。得益于眾多原子和光模式之間的集體增強效應，基于原子系綜的DLCZ方案是量子接口的一個理想選擇，在量子信息領域影響很大，國際上多個研究組致力于實現(xiàn)DLCZ型量子接口及其相互間的量子糾纏。加州理工學院的著名量子信息和量子光學專家Kimble研究組，在此方向經(jīng)過系列工作，于2010年實現(xiàn)了4個DLCZ型量子接口之間的糾纏，代表此前的國際記錄。

為了實現(xiàn)更多量子接口間的糾纏，構造更大的量子糾纏網(wǎng)絡，段路明研究組研發(fā)了新穎的二維量子接口陣列，解決了相關技術問題，可以方便地實現(xiàn)多個量子接口間的糾纏。研究人員通過光束復分技術，獨立尋址并相干調(diào)控5×5的量子接口陣列，制備了多體量子糾纏態(tài)，在25個量子接口之間，實驗利用糾纏判據(jù)以高置信度證明至少存在22體以上的真實糾纏，刷新了量子接口糾纏數(shù)量的世界記錄。《科學?進展》的審稿人對該工作有很高的評價，一位審稿人認為：“這是一個創(chuàng)紀錄的糾纏個數(shù)，也是構建第一個量子網(wǎng)絡過程中的一個重要的里程碑”；另一位審稿人意見：“這一實驗定義了原子光子之間量子接口的目前最高水平，我相信該結(jié)果在量子信息領域?qū)a(chǎn)生重要影響”。

該論文第一作者為清華大學交叉信息研究院博士研究生濮云飛，通訊作者為段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蔣楠、常煒、李暢，張勝以及美國密西根大學博士研究生吳宇愷。項目得到教育部、科技部以及清華大學的經(jīng)費支持。