量子纠缠分配是量子网络发展中的重要技术。通过在多个用户间端到端的分配量子纠缠资源，量子网络支持多种量子信息应用的一体化网络实现，如量子密钥分发（QKD）、量子远程传态、分布式量子计算以及分布式量子传感等。将波分复用（WDM）引入量子纠缠分发网络可充分利用宽带量子光源产生的纠缠资源。然而，由于光通信波段波长信道有限，完全基于WDM的网络用户数受限。通过使用被动分束器引入空分复用可大大提升网络用户规模，但需要在网络性能方面做出一定妥协。此外，路由调控和拓扑重构也是网络在实际应用中需要具备功能。如何构建大规模、可重构和高性能的量子纠缠分发网络仍是亟待解决的难题。

近日，清华大学电子工程系张巍教授在量子纠缠分配网络方面取得重要进展，提出了一种基于硅光集成四波混频量子光源的可重构的量子纠缠分配网络，通过引入泵浦管理机制，将N用户网络需要的波长通道数量降低到O（N）（传统WDM量子纠缠分配网络为O（N2）），同时具备很强的拓扑重构能力，并始终保持每对用户线路独立使用一份纠缠资源。这些特点使得该网络架构兼顾可扩展性、可重构性和高性能。

图1.实现量子纠缠分配网络的四波混频量子光源泵浦管理机制

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该网络方案灵活运用了硅波导通过自发四波混频产生纠缠光子对的物理过程。当多个泵浦光注入到硅波导，会同时激发多个简并泵浦和非简并泵浦的自发四波混频过程，产生的光子对在频谱上具有复杂的频率关联特性。将不同频率的光子分配给网络用户，可在用户间自然形成特定的量子网络拓扑。当泵浦光频率发生改变，网络拓扑也随之改变。这种机制被称为“泵浦管理”。

实验上，硅波导量子光源产生光子的复杂频率关联特性通过联合谱密度测量得到充分论证。网络中产生的光子通过光纤分发到网络用户，光子间的时间-能量纠缠特性通过Franson-type量子干涉实验验证。为了论证该网络方案在应用上的潜力，这项工作还通过三波长泵浦光的泵浦管理演示了一个10用户全连接的纠缠基QKD网络。

图2.10用户全连接纠缠基QKD网络的网络拓扑和实验结果

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相关研究成果以“基于四波混频量子光源泵浦管理的可重构量子纠缠分配网络”（Reconfigurable entanglement distribution network based on pump management of spontaneous four-wave mixing source）为题，于12月13日在线发表于《科学·进展》（Science Advances）。

清华大学电子工程系2020级博士生刘静远为论文第一作者，电子工程系教授张巍、黄翊东为论文通讯作者。研究得到北京量子信息科学研究院以及国家自然科学基金和重点研发计划项目的支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado9822