华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室、精密光谱科学与技术高等研究院荆杰泰教授、刘胜帅教授、李林研究员团队与哈尔滨工业大学肖淑敏教授团队、香港城市大学蔡定平教授团队合作在量子通信领域取得重要进展。研究团队利用超构表面实验生成了一个5×5的连续变量量子纠缠阵列，并基于该量子纠缠阵列构建了一个五用户全光量子态共享网络。相关成果以“Multiuser all-optical quantum network based on metasurfaces”为题发表于Science Advances（图1）。

图1 Science Advances在线刊发研究团队最新研究成果

    量子信息的一个重要方向是建立多用户量子网络，确保不同用户之间的信息安全传输。随着量子信息的不断发展，量子信息处理任务的复杂性也不断增加，这就对提升量子网络的规模提出了更高的要求。在连续变量领域，量子网络的规模主要取决于量子资源的规模，尤其是单一量子系统中共存的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）量子纠缠态的数量。因此，构建大规模量子网络的前提是实现大规模集成化EPR量子纠缠态的制备。

    光学超构表面是一种由亚波长结构单元构成的人工功能材料。超构表面可以有效控制光的相位、偏振、振幅等多个维度，从而有效地对光场进行调控，在光学系统和光学器件的集成化和小型化上具有非常重要的应用前景。可以预见，将超构表面应用到连续变量量子纠缠光源的制备过程中有望实现大规模集成化EPR量子纠缠态的制备。基于这一思路，研究团队将超构表面引入到基于四波混频过程的连续变量量子纠缠光源制备过程中（图2）。该超构表面由5×5的超构透镜阵列组成，当整束泵浦光通过该超构透镜阵列后在铷原子蒸气池内形成了5×5的泵浦阵列，阵列中的每一个泵浦光都可以实现一个四波混频过程从而产生一个EPR量子纠缠态，因此研究团队利用该超构表面在实验上制备了一个5×5的连续变量量子纠缠阵列，大幅提升了四波混频过程产生连续变量量子纠缠的规模。

图2  五用户量子网络以及量子纠缠阵列示意图

基于该量子纠缠阵列，研究团队构建了一个可以实现mm量子态安全共享的五用户全光量子态共享网络。在五用户全光量子态共享网络中，任意三个用户之间都可以通过全光的方式重构mm量子态。如图3所示，研究团队利用超构表面实验生成的EPR量子纠缠光束以及光学分束器来编码mm量子态。在完成编码之后，将产生的光学模式分别发送给五个用户。在实验中，任意三个用户重构的mm量子态平均保真度为0.62 ± 0.01，超过了相应的经典极限。这是目前连续变量体系中用户数最多的全光量子态共享网络。这些结果为大规模集成化连续变量量子纠缠态的制备和大规模全光多用户量子网络的构建提供了一个有前景的平台。

图3  五用户全光量子态共享网络装置图

    华东师范大学为该论文的第一完成单位，荆杰泰教授、李林研究员、肖淑敏教授、蔡定平教授为共同通讯作者，程亚教授、王漱明教授对本工作做了重要贡献，祝世宁院士对本工作做了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金委、量子通信与量子计算机国家科技重大专项、上海市教委、上海市科委等的大力支持。

    论文原文链接：

    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8455