近日，中国科学技术大学潘建伟、张强等与济南量子技术研究院陈玖朋等合作，提出一种“多波长联合相位锁定”架构，并结合贝叶斯相位估计，实现了跨节点、达到散粒噪声极限的高精度相位锁定。这为可扩展量子网络节点的远程互连提供了关键技术支撑。相关成果于10月14日发表于《物理评论快报》。
在构建远程量子纠缠时，基于散射光子的单光子干涉方案只需探测单个光子，就能消除路径可分辨性并建立纠缠。相比需要两个光子符合测量的方案，它更能抵抗信道损耗。但这条路有个核心瓶颈：跨节点的高精度相位锁定。一方面，散射光子会“继承”操控激光、变频泵浦光以及长光纤一路累积的复合相位，必须对整个链路统一追踪；另一方面，用来追踪相位的参考光必须非常弱，否则会干扰量子存储态。可光越弱，光子到达的随机涨落越明显。这就是散粒噪声，会限制相位估计的速度和精度。达到散粒噪声极限，意味着在这样弱的光强下，测量精度已经逼近理论允许的最好水平。
针对这些难题，团队基于两个远程单离子（⁴⁰Ca⁺）节点，搭建了“时分-波分”多波长联合相位演化追踪架构，并发展了实时贝叶斯相位估计技术。通俗地说，贝叶斯估计就像结合先验信息与不断出现的新线索，在极低信噪比下最大化提取有效信息并实时修正判断，从而从很弱的光信号中精确推算出相位变化。在时间上，团队让729 nm与854 nm操控光通过和频产生393 nm参考光脉冲，并与离子散射光交替发射；参考光复用操控光的初相位，经历相同的传输信道，还在527 nm泵浦下进行量子频率转换，转到1550 nm通信波段，从而原位追踪整个系统的复合相位演化。在频率上，引入一束失谐约2 nm的1548 nm连续弱参考光，实时捕捉并补偿光纤链路的快速抖动。针对微弱参考光带来的统计涨落，团队用FPGA实时运行贝叶斯估计，使动态相位解调精度达到散粒噪声极限。
图1. (a) 跨节点相位追踪实验装置图；(b) 操控与探测时序图；(c) 基于贝叶斯估计的相位反馈控制系统示意图。
基于上述突破，系统在极低参考光强下，实现了10公里与100公里光纤链路上的跨节点高精度相位锁定。远程单光子干涉可见度均保持在97%以上，纠缠宇称对比度超过85%，这为构建可扩展量子中继、迈向未来量子网络奠定了技术基础。
中国科学技术大学博士生刘光成、薛潮辉和济南量子技术研究院陈法喜研究员是该论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金委以及山东省、济南市和新基石科学基金会等有关项目的资助与支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cxs1-3pzf