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可重构量子纠缠分配网络新方案取得重要进展
2024年12月27日 14:23:57
来源：Ky开元集团 点击量：4444
这一研究成果不仅解决了量子网络扩展性和灵活性方面的重大挑战，还为量子密钥分发(QKD)、量子远程传态、分布式量子计算等量子信息应用的一体化网络实现提供了有力支持。
量子纠缠分配是量子网络发展中的重要技术。通过在多个用户间端到端地分配量子纠缠资源，量子网络能够支持多种量子信息应用。然而，在实际应用中，量子纠缠分配网络面临着扩展性和灵活性的重大挑战。传统的波分复用(WDM)量子纠缠分发网络受限于光通信波段波长信道的有限性，网络用户数受到限制。为了突破这一瓶颈，研究者们开始探索新的网络架构和分发机制。
近日，清华大学电子工程系的张巍教授团队在量子纠缠分配网络领域取得了突破性进展，提出了一种基于自发四波混频(SFWM)量子光源泵浦管理的可重构量子纠缠分配网络新方案。这一研究成果不仅解决了量子网络扩展性和灵活性方面的重大挑战，还为量子密钥分发(QKD)、量子远程传态、分布式量子计算等量子信息应用的一体化网络实现提供了有力支持。
科研团队的新方案巧妙地运用了硅波导通过自发四波混频产生纠缠光子对的物理过程。当多个泵浦光注入到硅波导时，会同时激发多个简并泵浦和非简并泵浦的自发四波混频过程，产生的光子对在频谱上具有复杂的频率关联特性。这一特性使得不同频率的光子可以被分配给网络用户，从而在用户间自然形成特定的量子网络拓扑。更重要的是，当泵浦光频率发生改变时，网络拓扑也会随之改变，这种机制被称为“泵浦管理”。
通过引入泵浦管理机制，张巍教授团队的新方案成功地将N用户网络需要的波长通道数量降低到O(N)，而传统WDM量子纠缠分配网络则需要O(N^2)个波长通道。这一改进不仅大大降低了网络对波长信道的需求，还使得网络架构具备了很强的拓扑重构能力，并始终保持每对用户线路独立使用一份纠缠资源。这些特点使得该网络架构兼顾了可扩展性、可重构性和高性能。
为了验证新方案的有效性和应用潜力，张巍教授团队还通过三波长泵浦光的泵浦管理演示了一个10用户全连接的纠缠基QKD网络。实验结果表明，网络中产生的光子通过光纤分发到网络用户后，光子间的时间-能量纠缠特性得到了充分验证。这一成果不仅证明了新方案在实际应用中的可行性，还为量子网络的进一步发展奠定了坚实基础。
该研究成果以Reconfigurable entanglement distribution network based on pump management of spontaneous four-wave mixing source为题，于近日在线发表于《科学·进展》(Science Advances)期刊上。
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