稀土原子可以制造电信波长的量子中继器 – 物理世界

美国普林斯顿大学的研究人员借助稀土元素铒，在实现可扩展量子网络方面迈出了关键一步。 铒擅长发射和吸收电信行业使用的波长的光子，这是一个优势，因为这些光子可以长距离传播，而在标准光纤中几乎没有衰减。 在量子领域利用这种优势一直是一个挑战，但普林斯顿大学团队成功地诱使铒基设备发射相同的光子——这是量子中继器远距离共享量子信息的先决条件。

“掺铒光纤被用作经典中继器，为各种光通信链路（如长途海底电缆）制造经典光纤放大器，”说 杰夫·汤普森普林斯顿大学电气与计算机工程教授，也是这项工作的首席研究员。 “所以，对我来说，尝试提出它的量子版本是很自然的。”

有优势，但合作起来很棘手

光子可能是天然的信息载体，但它们很难附着并且很少相互作用。 这意味着，如果一个光子丢失或其中编码的信息退化，其他光子就无法救援。 相反，量子信息需要存储在某种存储器中——在本例中是原子。 “量子中继器实际上只是一种在光和原子之间来回映射量子信息的方式，”解释道 伊丽莎白戈德施密特美国伊利诺伊大学香槟分校量子光学教授，并未参与这项工作。

在基于中继器的量子网络中，其想法是通过将距离分成块来在两个遥远的点之间建立纠缠。 其工作原理是，长距离通道一端的量子中继器发射一个光子，并在此过程中与其纠缠在一起。 通道下方短距离处的另一个中继器也向第一个中继器的方向发射光子。 当两个光子相遇时，它们会以纠缠的方式进行测量。 只要光子与各自的发射器保持纠缠，发射器也会发生纠缠。 通过沿着链继续这个过程，最终通道两端的两个发射器将纠缠在一起。 然后它们可以用作量子密钥分发方案中的共享密钥，或者它们可以通过量子隐形传态协议共享一些量子信息。

跟着我重复

利用金刚石中的各种原子或缺陷开发了其他量子中继器技术。 然而，这些系统通常以近可见频率发射光子，这些光子在光纤中迅速衰减。 为了实现最佳功能，它们需要进行变频，这既复杂又昂贵。 自动发出所需颜色光的中继器将大大简化该过程。

为了使铒原子发挥这样的量子中继器的作用，需要满足两个主要条件。 首先，原子需要足够快地发射光子才能使该方案实用。 其次，发射的光子必须保持其量子特性，并在受到干扰的情况下与发射光子的原子保持纠缠——这种特性被称为相干性。

不幸的是，野外的铒原子很少发射电信波段光子。 为了提高铒在所需颜色下的发射率，研究小组将原子放置在晶体内，距离表面仅几纳米。 在这种晶体的顶部，他们放置了一个空腔，这是一种硅纳米光子器件，旨在捕获铒发出的精确波长的光。 通过将铒原子放入该空腔，普林斯顿大学的研究人员说服其发射电信光子的频率几乎比其他方式高 1000 倍。

做出明智的选择

为了保持光子的量子相干性足够长以传输纠缠，汤普森和同事必须非常仔细地选择晶体材料。 从数千种最初的可能性中，他们在实验室中尝试了大约 20 种，然后最终选择了钨酸钙，这使得发射的光子的相干性足够高，使它们能够参与彼此的量子干涉。 这种量子干涉对于量子中继器架构中的光子纠缠测量阶段是必要的。

新的量子中继器可以实现可扩展的量子互联网

普林斯顿大学研究人员表示，下一步是证明不同铒原子发射的光子之间的纠缠。 之后，需要将中继器以菊花链方式连接在一起，形成量子通信通道。 研究人员认为，这项技术应该很容易扩展，因为它利用了成熟的硅光子产业。 “我认为这是一件非常新颖且重要的事情，”戈德施密特说。 “稀土原子可以保留真空中原子或离子所获得的大部分出色的相干性，同时具有高度可工程性并与设备集成兼容，正如这项工作中清楚地表明的那样。”

该研究描述于 自然.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/rare-earth-atom-makes-a-quantum-repeater-at-telecom-wavelengths/