中国科大实现紫外至通信波段量子频率转换突破

驱动中国10月15日消息，中国科学技术大学10月13日对外宣布，该校潘建伟、张强等与济南量子技术研究院郑名扬等在紫外波段离子阱存储器与通信光纤高效量子互联方面取得进展。研究团队实现393nm至1550nm的高效率、低噪声量子频率转换（QFC），刷新该波段量子频率转换效率与噪声水平的国际纪录，为可扩展量子网络中囚禁离子节点的远程互连提供关键技术。相关成果于10月13日发表于国际物理学期刊《物理评论快报》。

囚禁离子体系具有相干时间长、操控保真度高等特点，是构建规模化量子网络的重要体系之一。由于诸多囚禁离子能级跃迁荧光波长位于紫外或蓝紫光波段，难以直接进行远距离光纤传输，因此需要高效率、低噪声的量子频率转换。此前，该波段至通信波段的QFC普遍存在效率低、噪声高的问题，难以实际应用，导致该波段囚禁离子节点间纠缠分发距离被限制在米量级。

针对上述问题，研究团队从准相位匹配底层原理出发，建立畴缺陷相位扰动导致效率下降的定量理论模型，并通过定量分析验证模型。团队同时揭示短波长泵浦下QFC过程与泵浦光自发参量下转换（SPDC）噪声过程的反向调谐特性，并据此提出短波泵浦SPDC噪声抑制方法，实现对泵浦光噪声的大幅抑制。

基于上述创新方法，团队构建393nm至1550nm的高效率低噪声QFC模块，端到端效率达28.8%，泵浦光噪声抑制至35个/秒。与此前研究工作相比，效率提升约30倍，噪声降低逾两个数量级，创造该波段量子频率转换的新纪录。

该QFC模块已在基于40Ca+囚禁离子的远距离量子纠缠中得到实际应用，信噪比可达120:1，支撑长寿命远程离子-离子高保真度纠缠的实验演示与器件无关量子密钥分发，为可扩展量子中继和广域量子网络奠定关键器件基础。

中国科学技术大学博士生杨怡和济南量子技术研究院汪斌副研究员为论文共同第一作者。该研究得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委以及山东省、济南市和新基石基金会等有关项目支持。