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可重構量子糾纏分配網(wǎng)絡新方案取得重要進展
2024年12月27日 14:23:57
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：4212
這一研究成果不僅解決了量子網(wǎng)絡擴展性和靈活性方面的重大挑戰(zhàn)，還為量子密鑰分發(fā)(QKD)、量子遠程傳態(tài)、分布式量子計算等量子信息應用的一體化網(wǎng)絡實現(xiàn)提供了有力支持。
量子糾纏分配是量子網(wǎng)絡發(fā)展中的重要技術。通過在多個用戶間端到端地分配量子糾纏資源，量子網(wǎng)絡能夠支持多種量子信息應用。然而，在實際應用中，量子糾纏分配網(wǎng)絡面臨著擴展性和靈活性的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的波分復用(WDM)量子糾纏分發(fā)網(wǎng)絡受限于光通信波段波長信道的有限性，網(wǎng)絡用戶數(shù)受到限制。為了突破這一瓶頸，研究者們開始探索新的網(wǎng)絡架構和分發(fā)機制。
近日，清華大學電子工程系的張巍教授團隊在量子糾纏分配網(wǎng)絡領域取得了突破性進展，提出了一種基于自發(fā)四波混頻(SFWM)量子光源泵浦管理的可重構量子糾纏分配網(wǎng)絡新方案。這一研究成果不僅解決了量子網(wǎng)絡擴展性和靈活性方面的重大挑戰(zhàn)，還為量子密鑰分發(fā)(QKD)、量子遠程傳態(tài)、分布式量子計算等量子信息應用的一體化網(wǎng)絡實現(xiàn)提供了有力支持。
科研團隊的新方案巧妙地運用了硅波導通過自發(fā)四波混頻產(chǎn)生糾纏光子對的物理過程。當多個泵浦光注入到硅波導時，會同時激發(fā)多個簡并泵浦和非簡并泵浦的自發(fā)四波混頻過程，產(chǎn)生的光子對在頻譜上具有復雜的頻率關聯(lián)特性。這一特性使得不同頻率的光子可以被分配給網(wǎng)絡用戶，從而在用戶間自然形成特定的量子網(wǎng)絡拓撲。更重要的是，當泵浦光頻率發(fā)生改變時，網(wǎng)絡拓撲也會隨之改變，這種機制被稱為“泵浦管理”。
通過引入泵浦管理機制，張巍教授團隊的新方案成功地將N用戶網(wǎng)絡需要的波長通道數(shù)量降低到O(N)，而傳統(tǒng)WDM量子糾纏分配網(wǎng)絡則需要O(N^2)個波長通道。這一改進不僅大大降低了網(wǎng)絡對波長信道的需求，還使得網(wǎng)絡架構具備了很強的拓撲重構能力，并始終保持每對用戶線路獨立使用一份糾纏資源。這些特點使得該網(wǎng)絡架構兼顧了可擴展性、可重構性和高性能。
為了驗證新方案的有效性和應用潛力，張巍教授團隊還通過三波長泵浦光的泵浦管理演示了一個10用戶全連接的糾纏基QKD網(wǎng)絡。實驗結果表明，網(wǎng)絡中產(chǎn)生的光子通過光纖分發(fā)到網(wǎng)絡用戶后，光子間的時間-能量糾纏特性得到了充分驗證。這一成果不僅證明了新方案在實際應用中的可行性，還為量子網(wǎng)絡的進一步發(fā)展奠定了堅實基礎。
該研究成果以Reconfigurable entanglement distribution network based on pump management of spontaneous four-wave mixing source為題，于近日在線發(fā)表于《科學·進展》(Science Advances)期刊上。
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