奥地利因斯布鲁克大学和法国巴黎萨克莱大学的物理学家首次将长距离量子网络的所有关键功能整合到一个系统中。 在一项原理验证实验中,他们使用该系统通过所谓的中继器节点在 50 公里的距离内传输量子信息——距离足以表明实用的大规模量子网络的构建块可能很快就会实现触手可及。
量子网络有两个基本组成部分:量子系统本身,称为节点,以及它们之间的一个或多个可靠连接。 这样的网络可以通过连接多台量子计算机的量子位(或量子位)来工作,以“分担”复杂量子计算的负载。 它还可以用于超级安全的量子通信。
但构建量子网络绝非易事。 这样的网络通常通过传输纠缠的单个光子来工作。 也就是说,它的量子态与另一个量子粒子的状态密切相关。 不幸的是,来自单个光子的信号很容易在长距离上丢失。 量子信息的载体也可能在称为退相干的过程中失去其量子性质。 因此,增强这些信号至关重要。
毫不犹豫地重复
量子中继器可以提供这种提升,但不是以直接的方式。 因为量子力学的规则限制了纠缠态的复制,中继器不能简单地复制它们接收到的信号并将其传递给下一个节点。 相反,他们必须将信息存储在所谓的量子存储器中,然后使用称为贝尔状态测量 (BSM) 的过程传输它。
功能齐全的量子中继器还需要符合某些实际要求。 首先,量子信号需要处于电信中使用的波长,这样它们才能通过光纤传输而不会造成太大损失。 其次,量子存储器的存储时间应该超过产生纠缠所需的时间。 最后,流程中的每个步骤都应该是确定性的,这意味着在每个成功的步骤之后都需要产生信号。
在一个
最新的工作,在 “物理评论快报”, 将所有三个实际要求结合在一个实验中。 在最初的一系列事件中,两个被捕获的钙离子各自发射一个光子,形成两个纠缠的光子-离子对。 在这里,被捕获的离子作为量子位工作,它们的量子态分布在量子网络上。 然后,这些对中的光子被转换为 1550 nm 的电信波长,并通过单独的 25 公里长的光纤发送到两个不同的节点。 因此,节点之间的总距离为 50 公里。
每当其中一个光子到达其指定节点时,其纠缠离子的状态就会存储在离子的受保护记忆状态中。 然后系统反复尝试将第二个光子(与第二个离子纠缠在一起)发送到另一个节点。 一旦在两个节点都检测到光子,实验者就会执行 BSM 以将离子状态转移到它们各自的纠缠光子。
为了测试该协议,研究人员在 44 分钟内重复了 720 33 次,在 2053 2 229 次尝试在远程节点之间纠缠光子中记录了 883 次成功。 这听起来可能不是一个很高的成功率,但离子记忆的存在使得建立纠缠的可能性增加了 128 倍。 这表明进一步的改进是可能的,直到两个检测器都成功检测到两个光子并且仅受离子记忆状态的退相干限制的极限。
进一步扩展网络
研究人员还模拟了他们的方法可以推广到什么程度。 考虑到所有不同的因素,他们表明,由 17 个基于离子的中继器节点组成的网络可以在相距 800 公里的离子之间建立纠缠。 根据首席研究员的说法 本兰永 在因斯布鲁克大学,该团队的成员现在计划解开目前在他们实验室中的光纤,并将纠缠发送到校园外,进入现有的商业光纤网络。 “我们的愿景是走出实验室,开始在城市和国家之间建立物质和光的量子网络,”他说 物理世界.
新的量子中继器可以实现可扩展的量子互联网
罗纳德·汉森,荷兰 QuTech 的一位物理学家,没有参与这项工作,他将结果描述为重要的,因为它结合了量子中继器所需的几个元素。 他特别指出,该实验展示了节点内的多量子位操作、高效的量子位-光子接口和电信兼容性,每个元素都以高保真度工作以提供良好的整体性能——最相关的指标。 虽然功能齐全的量子互联网还有一段路要走,但 Hanson 认为,这一演示是朝着基于捕获离子的功能量子中继器迈出的一步。
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- Sumber: https://physicsworld.com/a/quantum-repeater-transmits-entanglement-over-50-kilometres/
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