可重構量子糾纏分配網絡新方案取得重要進展
量子糾纏分配是量子網絡發(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)網絡受限于光通信波段波長信道的有限性，網絡用戶數受到限制。為了突破這一瓶頸，研究者們開始探索新的網絡架構和分發(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絡新方案。這一研究成果不僅解決了量子網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絡實現提供了有力支持。
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，產生的光子對在頻譜上具有復雜的頻率關聯特性。這一特性使得不同頻率的光子可以被分配給網絡用戶，從而在用戶間自然形成特定的量子網絡拓撲。更重要的是，當泵浦光頻率發(fā)生改變時，網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用戶網絡需要的波長通道數量降低到O(N)，而傳統(tǒng)WDM量子糾纏分配網絡則需要O(N^2)個波長通道。這一改進不僅大大降低了網絡對波長信道的需求，還使得網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網絡。實驗結果表明，網絡中產生的光子通過光纖分發(fā)到網絡用戶后，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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