基于原子系综的通信波段量子中继的实验研究

The realization of long-distance quantum information processing requires mitigation of losses in the fibre-optical channels by using quantum repeater protocols. Besides,the amount of the quantum repeater used also greatly affects on the efficiency and the spent time of the communication.At present,the demonstrations of neutral-atom- quantum memories involve light fields outside the telecom-wavelength window, limiting the transmission to a distance of a few kilometres because of large loss the photon transmits in the fiber. Therefore a quantum memory interfaced with telecom light is required for long-distance quantum communication.In this project, we wish study and investigate how to build up a quantum repeater within telecomband.We will start our research by preparing a polarization entangled photon pair firstly via a Ladder-type atomic configuration. A distinguishing feature of such a photon source is that one photon in a pair is telecomband, the other is suitable for the storage in rubdium atoms.Then we try to experimentally store one photon in rubdium atoms by EIT effect to build up an entanglement between the atomic ensemble and the other photon in telecomband.Next,we will entangle two seperated atomic ensembles by entanglement swapping between two photons in telecomband from two photon pair sources.Besides, we will also try to realize frequency upconversion of a photon in telcomband by accomplishing frequency conversion in and out of the telecom window by means of four-wave mixing. Such a conversion is also an important step for realizng long-distance quantum communication. The possible results obtained during the period of carring out this project are very promising for establishing a long-distance quantum communication.

长距离的量子通信必须借助于量子中继器才能实现,而量子中继器的数目对量子通信的效率和所需要的时间产生至关重要的影响。在目前的基于原子系综的量子中继研究中,由于中继单元主要用碱金属元素,因而作为联络单元的光子其波长并不处于光纤的通信窗口。这样造成光子在光纤传输中存在较大损耗,导致长距离量子通信中所需要的量子中继单元数目增大。这不但使系统变得更加复杂,增加了成本,更严重的是降低了通信的效率。本项目以原子级联辐射制备的分别处于通信波段和原子跃迁波段的纠缠光子对为基础，利用电磁诱导透明效应实现信息存储，采用频率上转换实现光子在存储波段与光纤通信窗口之间的转换，利用双光子干涉技术建立存储单元之间的纠缠等克服光纤量子通信中传输距离的瓶颈问题，为实现长距离量子通信获取有价值的经验和技术积累。本项目拟研究的几个方面尚无相关报道，这是本项目区别于现存其它方案的之处,也是本项目的主要特色和创新之处。

长距离的量子通信必须借助于量子中继器才能实现,而量子中继器的数目对量子通信的效率和所需要的时间产生至关重要的影响。在目前的基于原子系综的量子中继研究中,由于中继单元主要用碱金属元素,因而作为联络单元的光子其波长并不处于光纤的通信窗口。这样造成光子在光纤传输中存在较大损耗,导致长距离量子通信中所需要的量子中继单元数目增大。这不但使系统变得更加复杂、增加了成本,更严重的是降低了通信的效率。解决该问题的方法有：1利用自发参量下转换技术制备通信波段光子对，然后利用频率变换技术将其中的一个光子从通信波段变换至与原子的跃迁波长相匹配的波长，并实现存储。这种方法的关键是单光子的频率变换。第二种是采用碱金属原子的级联辐射制备纠缠光子对。优点是其中一个光子的波长在通信波段，另一个光子的波长在原子跃迁波长。本项目紧紧围绕建立通信波段光子与原子系综之间的纠缠这一核心目标，严格按照申请书中的研究内容开展具体工作。经过四年的不懈努力，我们完成了预定任务，实现了预期目标，并且在以下几个方面取得突破性进展，做出了具有重要影响力的创新性工作，达到国际领先水平：1.基于原子体系制备了通信波段光子与原子跃迁波长相一致的近红外光子之间的偏振纠缠，并实现了近红外光子的量子存储；2.利用腔共振技术实现了1.5微米高斯单光子频率上转换，并首次实现了携带轨道角动量（OAM）单光子、OAM纠缠及OAM与偏振组成的杂化纠缠光子的频率上转换；3.首次通过级联原子自发四波混频和晶体自发参量下转换制备了红外通信波段三光子态；4. 首次实现了携带OAM的单光子、OAM二维及高维纠缠光子的系列量子存储，开创了量子存储领域的新方向。此外在本项目的部分资助下，我们还在宽带、高速量子存储器的实现、光学前驱波的观测等领域取得突破性进展，做出了具有国际影响力的创新成果，对相关方向的研究发展具有重要推动作用。在国内外著名学术刊物以第一/通信作者发表论文40余篇，包括Nat. Photo.（1篇）、Nat. Commun.（2篇）、PRL （3篇）、Light: Sci. & Appl.（2篇）等一区文章8篇，Optica、 Sci. Rep.、PRA、Opt. Lett.、Opt. Express.、APL等2区论文21篇。授权实用新型专利一项。培养了具有创新思想和一定专业知识的年轻科研人才，为继续开展该领域的研究奠定了坚实的基础。