4月20日, 清華大學交叉資訊研究院段路明教授研究組在《科學》期刊子刊《科學·進展》 (Science Advances) 上發表了題為 '25個可獨立操控的量子介面之間糾纏的實驗實現' ( 'Experimental entanglement of 25 individually accessible atomic quantum interfaces' 的研究論文. 該項研究首次實現了25個量子介面之間的量子糾纏, 相比於先前加州理工學院研究組保持的4個量子介面之間糾纏的世界紀錄在介面數量上提高了約6倍.
量子介面 (Quantum interfaces) 用於實現量子資訊在光子和存儲粒子 (通常為原子) 之間的相干轉化, 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. 類似於廣泛應用經典介面, 量子介面是量子資訊領域的基本元器件, 實現量子介面之間的糾纏是構建量子網路和未來量子互聯網的一個基本要求. 在量子資訊科學中, 光子擁有最快的傳輸速度, 是傳播量子資訊的最佳載體, 而原子擁有很長的量子相干時間, 被廣泛用於量子資訊的存儲. 量子介面將光子和存儲原子連接起來, 實現量子資訊在不同載體間的高效相互轉換.
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介面. 得益於眾多原子和光模式之間的集體增強效應, 基於原子系綜的DLCZ方案是量子介面的一個理想選擇, 在量子資訊領域影響很大, 國際上多個研究組致力於實現DLCZ型量子介面及其相互間的量子糾纏. 加州理工學院的著名量子資訊和量子光學專家金布爾 (Kimble) 研究組曾於2010年實現了4個DLCZ型量子介面之間的糾纏, 代表此前的國際最高水平.
為了實現更多量子介面間的糾纏, 構造更大的量子糾纏網路, 段路明研究組研發了新穎的二維量子介面陣列, 解決了相關技術問題, 可以方便地實現多個量子介面間的糾纏. 研究人員通過光束複分技術, 獨立定址並相干調控5×5的量子介面陣列, 製備了多體量子糾纏態. 在25個量子介面之間, 實驗利用糾纏判據以高置信度證明至少存在22體以上的真實糾纏, 刷新了量子介面糾纏數量的世界記錄.
《科學·進展》審稿人對該工作給予很高的評價, 認為: '這是一個創紀錄的糾纏個數, 也是構建第一個量子網路過程中的一個重要的裡程碑. '
論文第一作者為清華大學交叉資訊研究院博士研究生濮雲飛, 通訊作者為段路明教授, 其他作者包括交叉資訊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費支援.