量子网络是应用量子信息和检验量子理论的重要平台。量子网络中的每个用户不仅通过纠缠分发来共享密钥以实现无条件的安全通信，而且还执行贝尔态测量以实现量子信息处理任务，例如量子隐形传态和量子纠缠交换。纠缠交换可以在两个没有发生相互作用、独立的光子之间建立量子纠缠，这是构建大规模量子网络的基础。贝尔态测量是实现量子纠缠交换的核心技术。但是，由于线性光学贝尔态测量的局限性，人们只能识别两个贝尔态，而另两个贝尔态无法分辨，这使得这种纠缠交换方法在没有后选择的情况下无法使用。幸运的是，人们已经证明基于非线性和频（SFG）方法的贝尔态测量可以实现无需进行后选择、确定性的量子纠缠交换。此外，已经通过实验证明了单光子在通信波长之间的SFG，并且在理论上可以获得保真度大于90％的可见光范围内的一对预报纠缠光子。然而，基于SFG过程生成的可见光波长的纠缠光子对不能用于光纤网络，并且通信用户的数量也仅限于两个用户。多用户量子网络通过使用SFG可以扩展量子纠缠交换的优势，即网络中的任何两个用户都能建立通信波长的量子纠缠，并且可以通过产生的纠缠态来执行不同的量子信息处理任务，例如量子直接通信。
研究组在过去基于集成铌酸锂波导成功实现单光子非线性和频的基础上，提出了一种基于纠缠交换的DWDM量子网络，其中单光子源将通信波长中的N个量子态（N/2个纠缠态）分配给N个远距离用户，每个用户只操纵一个特定频率的光子。通过基于SFG的贝尔态测量，所有远方的用户都处于完全连接的图中，如图1所示。
图1：基于量子纠缠交换的DWDM量子网络
实验中，研究组通过使用产生的单光子源证明了提出的多用户网络的可行性。将产生的单光子源的频谱分为四个国际电信联盟（ITU）通道分别分发给四个用户。根据DWDM建立的光子频率相关性，将两组时间-能量纠缠态分发给了这四个用户。基于任意两个非纠缠光子之间的SFG，可以建立其他两个独立光子之间的纠缠，如图2所示。
图2：（左侧）基于量子纠缠交换的DWDM量子网络；（右侧）任意两个非纠缠光子之间的SFG。
研究组测量了四组不纠缠光子的SFG效率，并得到了对应产生的纠缠态的保真度大小，如图3所示。实验结果表明产生的纠缠态的保真度均大于90%。保真度大小仅取决于传输距离，与用户数量多少无关，这使得构建的网络适合构建大规模量子网络。
图3：（a）四组不纠缠光子的SFG效率；（b）对应产生的四组纠缠态的保真度。
研究组构建的网络体系结构不需要任何信任的节点，并且所有用户都可以通过建立纠缠来传输量子信息和共享安全密钥。此外，这个网络可以实现200公里以上的纠缠分发。由于构建量子网络的可扩展性，它可以用于真实的量子系统，例如点对点量子直接通信。实验方案和结果对构建大规模的光纤量子网络具有重要意义。
本论文第一作者是李渊华博士，2017年在上海交通大学获得博士学位（导师：陈险峰）后，在江西师范大学从事科研和教学工作。李渊华博士现在陈险峰教授研究组从事博士后（在职）研究。陈险峰教授为论文的通讯作者。论文的合作者为上海交通大学袁璐琦特别研究员、江西师范大学桑明煌教授和聂义友教授。研究工作得到了国家重点研究计划项目（项目编号No. 2017YFA0303701），国家自然科学基金（项目编号No. 11734011、11804135、11764021，61765008）和上海市科委重大项目（项目编号 No. 17JC1400402）的资助。
论文连接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.250505
