杜炎雄， 程愛琴， 鄭　翔， 顏　輝*， 朱詩亮,2*

(1.華南師范大學物理與電信工程學院，廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006；2.南京大學物理學院，固體微結構物理國家重點實驗室, 南京 210093)

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量子網(wǎng)絡研究進展

杜炎雄1， 程愛琴1， 鄭翔1， 顏輝1*， 朱詩亮1,2*

(1.華南師范大學物理與電信工程學院，廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006；2.南京大學物理學院，固體微結構物理國家重點實驗室, 南京 210093)

摘要：量子網(wǎng)絡是通過量子節(jié)點來產(chǎn)生、處理和存儲量子信息，利用飛行比特作為量子信道來傳遞量子信息的全量子信息處理與傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)．量子網(wǎng)絡不僅是實現(xiàn)長距離、網(wǎng)絡式量子通信的基礎，還可實現(xiàn)可擴展的分布式量子計算機，并應用于凝聚態(tài)多體系統(tǒng)的量子演化模擬．因此，量子網(wǎng)絡是以量子通信、量子計算和量子模擬為中心的量子調(diào)控研究的核心課題．目前，選擇合適的物理載體作為量子節(jié)點以及合適的相互作用形式以實現(xiàn)光子與光子、光子與量子節(jié)點以及不同量子節(jié)點間的相互作用是量子網(wǎng)絡研究的重要課題．冷原子系綜以及腔量子電動力學系統(tǒng)是實現(xiàn)量子節(jié)點的典型代表．文章結合本實驗室的研究綜述量子網(wǎng)絡在以上2個物理系統(tǒng)中近期的部分研究進展，并對量子網(wǎng)絡的發(fā)展做一定展望.

關鍵詞：量子網(wǎng)絡； 單光子； 冷原子； 腔QED； 非線性

以光纖傳輸為基礎的通信網(wǎng)絡的發(fā)展極大地影響了人們的生活及工作方式．與經(jīng)典的(基于宏觀的光信息傳輸)通信網(wǎng)絡類似，量子網(wǎng)絡是由大量分離的處理器通過通信信道鏈接而成的一種網(wǎng)絡結構[1-2]．局域的量子處理器(即量子節(jié)點)用于存儲以及處理量子信息，而量子通信信道則用于分散的量子節(jié)點間的信息傳輸．在量子網(wǎng)絡的實現(xiàn)方案中，由于光子具有最快的傳輸速度以及與環(huán)境相互作用較弱，光子作為飛行比特可用于建立節(jié)點間的量子信道. 量子網(wǎng)絡以其量子態(tài)的疊加以及糾纏特性，具有許多與經(jīng)典網(wǎng)絡不同的特性[3]：(1)可利用的態(tài)空間隨著節(jié)點的個數(shù)呈指數(shù)式的增長；(2)量子節(jié)點之間具有非局域的關聯(lián)；(3)量子節(jié)點可以通過量子信道實現(xiàn)長程相互作用．

量子網(wǎng)絡的首要應用是以量子信息傳輸為目的的量子通信網(wǎng)絡[4-5]．量子通信由于其傳輸信息完全保密而具有重要的應用價值，是量子信息研究領域的熱門方向．然而在實際應用中，光子作為信息的載體在光纖傳輸過程中會隨著光纖長度的增加呈指數(shù)式的衰減，導致信息的丟失．在經(jīng)典情況下，信號的衰減可以通過中繼器的放大進行補償．而在量子情況下，由于量子不可克隆定理[6]的限制，傳輸過程中單一的未知量子態(tài)不能通過常規(guī)的手段進行復制．1998年，ZOLLER組[7]提出了量子中繼器的方案解決了這個問題．通過糾纏純化[8]、糾纏交換[9]、量子存儲[10]等手段，在消耗有限資源的情況下可實現(xiàn)量子信號的遠距離傳輸．在這個方案中,量子存儲是最核心的部分．量子存儲的功能是存儲未知的量子態(tài)，并且需要在特定時刻釋放該量子態(tài)．量子存儲器必須是高效率以及高保真度的，即要求輸出信號的強度及波形與輸入信號的強度及波形相當．此外，在實際應用中還要求量子存儲器具有較長的存儲時間以及較高的存儲帶寬．量子網(wǎng)絡另外一個重要應用則是實現(xiàn)分布式的量子計算機以及量子模擬[11]．在這種情況下量子節(jié)點可看成物理系統(tǒng)的一部分，并且通過量子信道發(fā)生相互作用[12]．例如，局限在不同節(jié)點的原子可看成單個獨立的自旋系統(tǒng)，節(jié)點間通過交換單光子脈沖發(fā)生相互作用進而誘導出自旋-自旋相互作用.因此，量子網(wǎng)絡可看成量子多體系統(tǒng)的一種特殊形式．通過調(diào)節(jié)相互作用的強度以及拓撲結構，可以模擬不同的晶格結構以及一系列的有效哈密頓量．利用量子網(wǎng)絡，可探討多體系統(tǒng)中的標度行為、量子相變以及多粒子糾纏等開放性的物理問題．

從以上量子網(wǎng)絡的應用可以看到量子網(wǎng)絡的組成部分應滿足一定的功能．首先，量子網(wǎng)絡中的量子節(jié)點必須是單光子源，能在特定時刻根據(jù)需要產(chǎn)生單光子，并且單光子的生成率要高、不可區(qū)分．其次，量子節(jié)點同時也是高效率的量子存儲器，用于實現(xiàn)量子中繼以及建立量子糾纏．最后，光子應可以通過量子信道實現(xiàn)長程糾纏分發(fā)．近年來，量子通信中的量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)絡已經(jīng)取得了巨大的進展并已進入了實用階段[13]，然而，其中的量子節(jié)點僅能單獨實現(xiàn)發(fā)送或者接收的功能．實現(xiàn)實際意義下可用的量子節(jié)點仍然是富有挑戰(zhàn)的研究．光子作為飛行比特用于傳輸量子信息已成為共識，因此，如何增強光子與量子節(jié)點間的相互作用成為量子網(wǎng)絡研究的重要內(nèi)容．這個問題主要從選擇合適的物理體系作為量子節(jié)點的載體，以及選擇合適的相互作用形式進行解決．目前，腔量子電動力學(腔QED)系統(tǒng)以及冷原子系綜被認為是比較有希望實現(xiàn)可行的量子節(jié)點的候選者，本文重點介紹這2種實驗系統(tǒng)的特點以及近期的部分研究進展，同時，也介紹最近提出的利用真空腔模以及里德堡原子增強光與量子節(jié)點的非線性相互作用方面的研究進展．

1基于腔QED系統(tǒng)的量子網(wǎng)絡

處于基態(tài)的原子對光的吸收截面很小，導致了基態(tài)原子與單個光子之間的相互作用很弱．假如讓光子多次來回通過原子，則可極大地提高原子吸收光子的概率．這種增強原子與光子間的相互作用的研究催生了腔量子電動力學[14]．單原子與單光子之間的強耦合是通過腔(例如法布里-玻羅腔，如圖1 A所示)實現(xiàn)的[15-16].這種腔通常具有很小的腔模體積(Vm)以及很高的品質(zhì)因子(Q≈107～1011)．原子與腔內(nèi)光子的耦合可以通過耦合頻率g來描述(2 g是單光子的拉比頻率):

(1)

其中μ0是2個原子態(tài)之間的躍遷偶極矩(躍遷頻率為ωA)，ωC≈ωA是腔模的頻率，ε為極化矢量.強耦合要求在光子衰減到腔外以及原子發(fā)生退相干之前，原子與光子的復合系統(tǒng)能發(fā)生多次振蕩，即g?γ,κ，其中γ為原子的退相干速率，κ為光子的衰減速率．在光學波段，實現(xiàn)強耦合通常的做法是利用高精細度的光學共振腔(F≈105～106)和大的躍遷偶極矩μ0．另外，從g的表達式可以看出，減小腔的體積Vm可以提高耦合頻率g．當然，雖然減小腔的體積可以提高原子與光子的耦合頻率，但是抓捕原子也變得更加困難．因此，在過去十幾年中研究者們一直努力在高精細度的腔中捕抓以及穩(wěn)定原子[17-18]．

圖1　利用腔QED系統(tǒng)實現(xiàn)量子網(wǎng)絡

(2)

2基于冷原子系綜的量子網(wǎng)絡

單光子與自由空間單原子組成的節(jié)點相互作用很弱，可以通過引入原子系綜解決．利用原子的集體增強效應，原子的吸收截面等效地增加了，同時，原子的集體激發(fā)模式也可以用于單光子的存儲．在冷原子系綜中實現(xiàn)量子網(wǎng)絡的典型方案是DUAN，LUKIN，CIRAC以及ZOLLER[24]在2001年提出的，即DLCZ方案．在量子網(wǎng)絡中進行糾纏的生成與分發(fā)是該方案的核心．通過分別在2團鉛筆狀的原子中施加一束有一定失諧、光強很弱的光(即寫場)，原子會有一定概率發(fā)生自發(fā)拉曼過程并輻射出一個單光子；反之，單光子在外場(即讀場)的作用下存儲到原子系綜中．在DLCZ的方案中，2個光子通過反射鏡在一個50%-50%的分束器(BS)相遇，由于路徑信息在分束器上被擦除，當BS兩輸出端的其中一個探測器探測到光子，則2團原子被制備到糾纏態(tài)．由于在這個過程中糾纏態(tài)是概率性地被制備，而且是通過探測器的響應來進行確認，研究者把這種生成糾纏的方式稱為宣布式的糾纏生成．當不同節(jié)點的原子團建立起糾纏后，就可以進行糾纏交換以及信息傳輸．DLCZ方案對于光子在傳播過程中的損失、探測器效率不高等不完美的因素不敏感，而且方案本身已經(jīng)包含糾纏純化的操作[24]．然而，該原始方案在實現(xiàn)過程中仍然面臨一些問題，主要包括2點：首先，為了實現(xiàn)2個光子在BS上干涉，需要保證干涉的兩臂長時間在亞波長的精度上穩(wěn)定；其次，處于粒子數(shù)態(tài)的單光子間的糾纏交換容易導致生成態(tài)真空分量的增加[25]．為了克服這些問題，ZHAO[26]和CHEN[27]等提出了優(yōu)化的方案，利用雙光子干涉的手段，可以把DLCZ方案對路徑差穩(wěn)定性的要求降低7個數(shù)量級；另外，通過糾纏糾正的手段，生成量子態(tài)中的真空分量被壓制．該方案在2團相距大約60 cm的冷原子團組成的量子節(jié)點進行了驗證[25]．單光子通過300 m的光纖在2個節(jié)點之間進行傳輸．實驗證實了該方案可以實現(xiàn)高精度的糾纏交換.

在由冷原子系綜組成的量子網(wǎng)絡中，研究單光子的生成是一個有趣的課題[28-29]．一方面，單光子的生成率影響信息的傳輸速率；另一方面，單光子的波形可能影響單光子與節(jié)點之間的相互作用．由于鉛筆狀的冷原子系綜具有較大的光學厚度，可以通過利用四波混頻和慢光技術產(chǎn)生具有長相干時間的糾纏光子對(斯托克斯光子以及反斯托克斯光子)．由于通過這種方式生成的單光子線寬(MHz級別)低于激發(fā)態(tài)的自然線寬，非常適合于冷原子系統(tǒng)的存儲．另外，這種光子的相干時間由反斯托克斯光子的減速時間決定，可以達到μs量級，因此可以在時域上對其單光子的波形進行調(diào)制．最近，我們實驗室在冷原子體系高效率地產(chǎn)生了同時具有時間-頻率糾纏以及偏振糾纏的光子對[30]，從而可以把信息編碼于光子的偏振自由度．該實驗裝置是由2套空間交疊但偏振不同的四波混頻系統(tǒng)組成(圖2)．由于2套系統(tǒng)的路徑不可區(qū)分，生成的光子對同時具有2種可能的糾纏．雙光子的波函數(shù)在時域以及偏振空間中可以寫成

(4)

ts和tas分別是探測到斯托克斯光子(ωs)和反斯托克斯光子(ωas)的時間，φ(tas-ts)則是單光子的時域波函數(shù)．等式的最右邊的括號內(nèi)表達式描述其路徑以及偏振糾纏特性．是2套四波混頻系統(tǒng)的相位差，容易受光學元件的抖動的影響而變得不穩(wěn)定．因此，該方案的關鍵是鎖定2套四波混頻系統(tǒng)的相位差．這個問題通過在光路中插入帶壓電陶瓷的反射鏡解決．實驗中發(fā)現(xiàn)，改變相位鎖定點時，通過量子層析探測到的糾纏態(tài)也會相應發(fā)生改變，證明了相位鎖定的有效性．

圖2　在冷原子系綜中產(chǎn)生偏振糾纏光子對的光路圖[30]243602

研究單光子的存儲也是該方向的一個重要課題．量子存儲主要有2種方式：基于電磁誘導透明(EIT)以及基于拉曼過程．EIT過程利用了絕熱的效應，對外部參數(shù)的漲落比較不敏感．而拉曼過程可以實現(xiàn)寬帶信號存儲，且存儲信號的頻率具有可調(diào)性．DING等[31]最近利用拉曼存儲協(xié)議分別成功地實現(xiàn)了單光子的路徑和偏振混合糾纏態(tài)以及雙光子偏振糾纏態(tài)的量子存儲，利用Sagnac干涉儀，實現(xiàn)了偏振糾纏的高保真存儲．

以上的這些研究表明，利用冷原子系綜作為量子網(wǎng)絡的節(jié)點也是一種可行的方案．

3單光子非線性的增強

通過選擇合適的物理體系，單光子與量子節(jié)點的相互作用得以加強．然而，在全光量子計算以及分布式的量子計算網(wǎng)絡中，要求實現(xiàn)單光子與單光子之間的非線性相互作用，如單光子-單光子光開關，單光子-單光子相位調(diào)制等．盡管在非線性介質(zhì)、腔QED等系統(tǒng)中，光與光之間的非線性相互作用能夠得到加強，實現(xiàn)少光子甚至單光子級別的非線性過程仍然是相當困難的一項工作．

近年來，研究發(fā)現(xiàn)利用光場與介質(zhì)的共振相互作用可以加強非線性過程．其中EIT是一種典型的手段．利用一個強的耦合(控制)光場與介質(zhì)作用，介質(zhì)對共振探測光的折射率會發(fā)生改變．HAU等[32]利用EIT過程在超冷原子氣體中成功將光速減慢到17 m/s．LONGDELL等[33]證明了利用EIT過程可以在冷卻的稀土離子晶體將光保存超過1 s．目前，少光子級別的EIT非線性已經(jīng)在具有強的橫向約束光纖體系中觀察到．研究還發(fā)現(xiàn)利用里德堡原子可以增強EIT效應．2012年，由LUKIN以及VULETIC領導的研究組[34]在里德堡原子體系觀察了光子-光子阻塞效應，為在里德堡原子體系實現(xiàn)單光子調(diào)制單光子打下了堅實的基礎．由于高激發(fā)態(tài)的里德堡原子具有大的偶極矩以及偶極-偶極相互作用，在一定的半徑范圍rb內(nèi)2個里德堡原子無法同時被激發(fā)，稱為里德堡阻塞機制．當入射的單光子滿足EIT條件時，單光子將轉(zhuǎn)換為介質(zhì)的里德堡激子．然而，當?shù)?個單光子入射時，由于里德堡阻塞效應，無法發(fā)生EIT過程導致其迅速地衰減(假定rb遠大于無EIT時的衰減長度la=(Nσa)-1，N為原子數(shù)密度，σa為吸收截面)．其實驗原理的示意圖如圖3A所示．光子-光子阻塞的效果通過雙光子關聯(lián)函數(shù)[34]來描述

(5)

(A)里德堡原子中產(chǎn)生光子-光子阻塞的實驗系統(tǒng)示意圖[34]58(B)腔中產(chǎn)生真空誘導透明的示意圖[36]581

圖3增強單光子非線性的實驗方案

Figure 3Experimental schemes to enhance single-photon nonlinearity

4總結與展望

目前，量子網(wǎng)絡仍然處于原理性驗證的實驗階段．改進目前基于原子、離子、腔QED的系統(tǒng)設計可以極大提高傳輸速度以及保真度．另外，在實際應用中，僅僅依靠單一體系來完成一個具體的量子計算以及量子通信的任務是非常困難的．為此，一種可能的解決方法是聯(lián)合多個體系各自的優(yōu)勢來構建雜化的量子系統(tǒng)[37]．比如，量子網(wǎng)絡中節(jié)點通常與近紅外或者可見光光子相互作用，在這個波段，光在光纖中的傳輸損耗較大，即不能進行長距離傳輸．通過非線性過程，可以把可見光轉(zhuǎn)換到通信波段，但是轉(zhuǎn)換效率極低的弊端限制了這個方向的發(fā)展．另外一方面，有一些摻雜稀土離子系統(tǒng)輻射的波段剛好在通信波段，而且該系統(tǒng)存儲時間很長，存儲帶寬也很寬，保真度也很高，十分有利于構建量子存儲．然而，該系統(tǒng)是固態(tài)系統(tǒng)，很難對單個離子進行獨立操控，所以不適合作為量子節(jié)點局域地完成量子操控．將基于原子的量子節(jié)點以及基于摻雜稀土離子系統(tǒng)的量子存儲結合起來，是實現(xiàn)量子網(wǎng)絡的一個方向．另外一種雜化系統(tǒng)的組合可能來自于超導線路QED(cQED)．在過去的10多年中，cQED已經(jīng)被證明是有希望實現(xiàn)量子計算的物理系統(tǒng)．最近，Hong-Ou-Mandel實驗已經(jīng)證明了該系統(tǒng)可以產(chǎn)生不可區(qū)分的微波光子，可用于遠程糾纏；然而，微波光子也是不適合于長距離傳輸.一種可能的方式則是將cQED耦合到光學自旋系綜比如金剛石色心體系實現(xiàn)高效率的頻率轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)信息的傳輸．

參考文獻：

[1]KIMBLE H. The quantum internet [J]. Nature, 2008, 453: 1023-1030.

[2]DUAN L M, MONROE C. Quantum network with trapped ions [J]. Reviews of Modern Physics, 2010, 82: 1209-1225.

[3]RITTER S, NOLLEKE C, HAHN C, et al. An elementary quantum network of single atoms in optical cavities [J]. Nature, 2012, 484: 195-200.

[4]PENG C Z, ZHANG J, DONG Y, et al. Experimental long-distance decoy-state quantum key distribution based on polarization encoding [J]. Physical Review Letters, 2007, 98: Art 010505,5pp.

[5]URSIN R, TIEFENBACHER F, SCHMITT-MANDERBACH T, et al. Entanglement-based quantum communication over 144 km [J]. Nature Physics, 2007, 3：481-486.

[6]WOOTTERS W K, ZUREK W H. Asingle quantum cannot be cloned [J]. Nature, 1982, 299: 802-803.

[7]BRIEGEL H J, DUR W, CIRAC J I, et al. Quantum repeater: the role of imperfect local operations in quantum communication [J]. Physical Review Letters, 1998, 81(26): 5932-5935.

[8]BENNETT C H, BRASSARD G, POPESCU S, et al. Purification of noisy entanglement and faithful teleportation via noisy channels [J]. Physical Review Letters, 1995, 76(5): 722.

[9]ZUKOWSKI M, ZEILINGER A, HORNE M A, et al. “Event-ready-detectors” Bell experiment vis entanglement swapping [J]. Physical Review Letters, 1993, 71: 4287-4290.

[10]LVOVSKY A I, SANDERS B C, TITTEL W. Optical quantum memory [J]. Nature Photonics, 2009, 3: 706-714.

[11]ILLUMINATI D. Light does matter [J]. Nature Physics, 2006, 2: 803-804.

[12]DUAN L M, WANG B, KIMBLE H J. Robust quantum gates on neutral atoms with cavity-assisted photon scattering [J]. Physical Review A, 2005, 72(3): 2409-2418.

[13]LIU Y, CHEN T Y, WANG L J, et al. Experimental measurement-device-independent quantum key distribution [J]. Physical Review Letters, 2013, 111: 130502.

[14]BERMAN P. Cavity quantum electrodynamics [M]. San Diego: Academic Press, 1994.

[15]WILK T, WEBSTER S C, KUHN A, et al. Single-atom single-photon quantum interface [J]. Science, 2007, 317: 488-490.

[16]CHRISTINE G, JULIEN B, SAMUEL D, et al. Progressive field-state collapse and quantum non-demolition photon counting [J]. Nature, 2007, 448: 889-893.

[17]HIJLKEMA M, WEBER B, SPECHT H P, et al. A single-photon server with just one atom [J]. Nature Physics, 2007, 3: 253-255.

[18]FORTIER K M, KIM S Y, GIBBONS M J, et al. Deterministic loading of individual atoms to a high-finesse optical cavity [J]. Physical Review Letters, 2007, 98: Art 233601,5pp.

[19]KELLER M, LANGE B, HAYASAKA K, et al. Continuous generation of single photons with controlled waveform in an ion-trap cavity system [J]. Nature, 2004, 431: 1075-1078.

[20]MCKEEVER J, BOCA A, BOOZER A D, et al. Deterministic generation of single photons from one atom trapped in a cavity [J]. Science, 2004, 303: 1992-1994.

[21]BERGMANN K, THEUER H, SHORE B W. Coherent population transfer among quantum states of atoms and molecules [J]. Review of Modern Physics, 1998, 70: 1003-1025.

[22]LOUNIS B, ORRIT M. Single-photon sources [J]. Report on Progress in Physics, 2005, 68: 1129-1179.

[23]BOOZER A D, BOCA A, MILLER R, et al. Reversible state transfer between light and a single trapped atom [J]. Physical Review Letters, 2007, 98: Art 193601,5pp.

[24]DUAN L M, LUKIN M D, CIRAC J I, et al. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics [J]. Nature, 2001, 414: 413-418.

[25]YUAN Z S, YU-AO C, BO Z, et al. Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node [J]. Nature, 2008, 454: 1098-1101.

[26]ZHAO B, CHEN Z B, CHEN Y A, et al. Robust creation of entanglement between remotememory qubits [J]. Physical Review Letters, 2007, 98: Art 240502,4pp.

[27]CHEN Z B, ZHAO B, CHEN Y A. et al. Fault-tolerant quantum repeater with atomic ensembles and linear optics [J]. Physical Review A, 2007, 76(2): 1188-1190.

[28]顏輝, 何君鈺, 廖開宇, 等. 宣布式可控波形單光子的產(chǎn)生和應用 [J]. 中國科學：信息科學, 2014, 44： 410-424.

YAN H, HE JY, LIAO KY et al. Heralded narrowband single photon with controllable waveform: generation and application[J]. Scientia Sinica(Informationis), 2014, 44： 410-424.

[29]LIAO Y H. Experimental generation of narrow-band paired photons: from damped rabi oscillation to group delay [J]. Chinese Physics Letters, 2014, 31(3): 73-76.

[30]LIAO Y H. Subnatural-linewidth polarization-entangled photon pairs with controllable temporal length [J]. Physical Review Letters, 2014, 112(24): 243602.

[31]DING D S, ZHANG W, ZHOU Z Y et al. Raman quantum memory of photonic polarized entanglement [J]. Nature Photonics, 2015, 9: 332-338.

[32]HAU L, HARRIS S, DUTTON Z. Behroozi, light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas [J]. Nature, 1998, 397: 594-598.

[33]LONGDELL J J, FRAVAL E, SELLARS M J, et al. Stopped light with storage times greater than one second using electromagnetically induced transparency in a solid [J]. Physical Review Letters, 2005, 95: Art 063601,6pp.

[34]PEYRONEL T, FIRSTENBERG O, LIANG Q Y, et al. Quantum nonlinear optics with single photons enabled by strongly interacting atoms [J]. Nature, 2012, 488(7409): 57-60. [35]TANJI-SUZUKI H, CHEN W, LANDIG R, et al. Vacuum-induced transparency [J]. Science, 2011, 333: 1266-1269.

[36]LAM P K, BUCHLER B C. The nonlinearity of single photons [J]. Nature Photonics, 2011, 5: 580-581.

[37]NORTHUP T E, BLATT R. Quantum information transfer using photons [J]. Nature Photonics, 2014, 8: 356-363.

【中文責編：成文英文責編：李海航】

Research Progress on Quantum Network

DU Yanxiong1， CHENG Aiqin1， ZHENG Xiang1， YAN Hui1*， ZHU Shiliang1,2*

(1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, School of Physics and Telecommunication Engineering,South China Normal University, Guangzhou 510006, China; 2. National Laboratory of Solid State Microstructures, School of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093，China)

Abstract：Quantum network is a network used to process and transfer information by quantum nodes. Quantum information is generated, processed and stored through quantum nodes and transferred by flying qubits through quantum channels. Quantum network is the essential block for long distance quantum communication, scalable distributed quantum computation and simulation of dynamical evolution in quantum multi-body systems. Therefore, quantum network plays a key role in quantum communication, quantum computation and quantum simulation. At present, photons have been recognized as the standard flying qubits to transfer information in the quantum network. Therefore, the selection of a suitable physical system as the quantum nodes and suitable interaction to enhance the interaction between photon-photon, photon-node and node-node is significant important in the research of quantum network. The cold atomic ensemble and cavity QED are two leading candidates for quantum nodes. In this article, we will briefly review some recent progresses in these two systems based on our researches and give a prospective outlook.

Key words：quantum network; single photon; cold atom; cavity QED; nonlinearity

收稿日期：2016-01-10《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

基金項目：國家自然科學基金項目(11474107，11125417)；教育部“創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”項目(IRT1243);廣東省自然科學杰出青年基金項目(2014A030306012)；廣東省高等學校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃項目(Yq2013050)；廣州市珠江科技新星項目( 2014010)；廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目(201421)；華南師范大學青年教師科研培育基金項目(15KJ15)

*通訊作者:顏輝，研究員，Email: yanhui@scnu.edu.cn；朱詩亮，教授，教育部長江學者特聘教授，Email: slzhunju@163.com.

中圖分類號：O562.4

文獻標志碼：A

文章編號:1000-5463(2016)01-0016-07