在远距离量子通信的过程中，信道传递的量子态往往随着通信距离的增加而指数减少，这极大地限制了量子通信的有效传输距离。如何实现远距离量子通信一直以来都是国际研究的热点。目前主要有两种解决方案。其一是在几乎真空、量子信号损耗极小的外太空，利用卫星扩展量子通信距离;我国于2016年成功发射了国际首颗量子科学实验卫星“墨子号”，成功验证了这一方案的可行性。其二是在光纤网络中使用量子中继器，将一段长距离光纤信道分割成多段距离比较短的信道，使得量子信号不再随距离的增加而指数衰减，从而扩展量子通信距离。

 

　　鉴于量子中继器的重要科学和应用价值，国际上关于量子中继器研究的竞争非常激烈。传统量子中继器需要基于纠缠交换、纠缠纯化、量子存储三个必不可少的技术。然而，目前的量子存储性能有限，实现实用化量子中继器还需较长时间。全光量子中继方案在理论上可以实现无需量子存储的量子中继器，为利用量子中继器实现远距离光纤量子通信网络提供了另一种原则上可行的方案。

 

　　在该项工作中，研究团队首先对原始的全光量子中继方案进行改进，设计了实验可行的方案。在该方案中，研究团队使用了光子GHZ态和后选择贝尔测量来实现不同信道间光子对的任意连接，从而有效地提升量子信道中纠缠态的分发成功概率。然后，研究团队利用六个独立的参量下转换双光子纠缠源，在实验上成功地搭建了一个基于十二光子的全光量子中继器，测试了该量子中继器的各方面性能，并在实验上验证了其相比于纠缠交换方案的优势。实验结果显示，全光量子中继器可以有效提升量子态的传输速率，从而拓展量子通信的传输距离。

 

　　该项工作成功验证了全光量子中继器的可行性，在原理上使得量子存储器不再是搭建量子中继器的必要条件，为实用化量子中继器的研究开辟了新途径。

 

　　该工作得到科技部、国家基金委、中科院和安徽省等的资助。

 

　　延伸阅读：

 

　　量子中继器

 

　　量子中继器，量子通信系统使用纠缠光子对为信号源，而量子中继器通过纠缠制备、纠缠分发、纠缠纯化和纠缠交换来实现中继功能的转换器。量子信号的传输距离由中继级数决定。使用这种中继器的量子通信系统可以用于长距离量子通信。

 

　　提出背景：

 

　　量子通信由于其独特的绝对安全功能，越来越受到各国学者的重视。在长距离量子通信系统中，可以依靠事先建立的、空间分离的两体“理想”纠缠纯态传输信息，它们是量子通信的重要资源。但是，由于量子通信系统与信道的相互作用，会引起系统中纯态的相干性衰减，从而丧失了各益加成分之间的相对因子的确定性，使各叠加成分的内部相位差的随机性增加。

 

　　于是寄托在这种内部相干性上的t子信息就会衰减,这种衰减随着信息传输距离的增加而增加，最终，使得量子信息传输失败，因此需要在长距离系统中使用量子中继器。

 

　　研究历程：

 

　　2015年8月，中国科学技术大学人员设计了一种新型的量子中继方案。基于量子点双激发的级联过程，提出实现可扩展的量子点纠缠光源方案，可构建新型的量子中继器。

 

　　2017年10月，中国科学技术大学教授潘建伟及同事陈宇翱、赵博等人利用参量下转换光源，实现了基于线性光学的量子中继器中的嵌套纠缠纯化和二级纠缠交换过程，为将来实现基于原子系综的可扩展线性光量子中继器提供了前瞻性技术指引。

 

　　主要功能​：

 

　　一般来说，经典通信中，在利用中继技术恢复信号的能量同时，起了两个方面的作用：一方面恢复了信号的传输特性，另一方面表示信息的比特也随之得到了恢复。与经典中继器不同，量子中继器不是一个放大器，需要利用盆子态的纠缠与交换来实现量子中继功能。

 

　　量子通信中的信息载体一童子信号具有量子特性，传输和最终检测的核心部分不是能量而是信号的某种量子状态。研究表明，量子信号的状态同时受到经典噪声和量子嗓声的影响，这些噪声会导致量子比特的退相千现象发生，从而导致信息丢失，使得量子通信不能正常进行。另一方面，经典噪声使得t子信号的传输特性不断衰减，导致量子信号不断变弱，最终难以检测。

 

　　量子中继应该具有两个方面的功能：

 

　　1、通过补充量子信号的能量实现量子信号的稳定传输；

 

　　2、在补充量子信号能量的同时,，保证量子信号携带的量子比特不发生改变。

 

　　工作原理​：

 

　　对于使用纠缠源的量子通信系统来说，首先借助量子中继技术建立起一个长距离的量子信道,在此基础上，利用所建立的量子信道的量子特性实现安全的量子信号传输。

 

　　因此,在这种通信模式中，不会由于量子中继的加入而导致量子通信中信息的丢失。不过，这种通信模式的重要前提条件是，量子中继不会导致量子信道原有特性的改变。例如，若采用量子中继技术，量子通信协议中纠缠光子对的最大纠缠性不能发生改变。

 

　　根据上述特征，这种通信模式下的量子中继技术必须发挥两个方面的作用：

 

　　一是补充信号的能量

 

　　二是维持量子信道的原有特性

 

　　大多数物理学家提出的量子中继器方案中含有CONT，运算，但当前还没有实现能够达到误差不超过百分之几的能用于长距离量子信道的CONT运算。

 

　　因此,采用只利用线性光学器件的方案，以纠缠光子对作为量子信息的传送通道，采用量子中继器的目的是增加高品质纠缠光子对的作用距离。通过对短程纠缠光子对进行纠缠纯化和纠缠交换，得到高纠缠度的长程纠缠光子对。从而建立起长距离的量子信道。