西安交大物理学院张伟实现了33公里的量子纠缠分发

量子网络有望为许多颠覆性应用提供基础设施：如高效的长距离量子通信和分布式量子计算，网络搭建的核心是利用光子通道在距离较远的节点之间分配“纠缠”的能力。然而，要在长距离量子网络链接上充分使用纠缠，必须确保它在纠缠态衰变之前在相关节点上可用。

最近，来自德国、奥地利、中国的联合团队通过长度达33公里的光纤链路，展示了两个远程量子节点之间的纠缠分发——铷（Rb）原子在相距400米的位置实现了独立捕获和操纵。结果表明，在电信光纤链路上进行纠缠分发是可行的，团队向实现大规模量子网络链路迈出了重要一步。

张伟

论文的通讯作者之一是来自西安交通大学的特聘研究员——张伟[1]。7月6日，研究成果以《纠缠33公里电信光纤上的单个原子》为题[2]发表在《自然》杂志上。

相关实验由两个相似的独立节点和一个中间站组成，所有这些节点都位于不同的实验室中。从节点1（节点2）到中间站的最短光纤连接等于50米（750米），通过在线轴上接入额外的光纤来实现更长的光纤链路。

实验装置示意图。每个节点位于相距400米的建筑物中，单个铷原子被加载到光学偶极子陷阱中。使用高数值孔径物镜收集在780nm波长处发射的单光子，并将其耦合到单模光纤中。在那里，它们通过周期性极化铌酸锂（PPLN）波导中的差分频率产生转换为电信波长（λ=1，517nm），这种配置完全保持了光子的偏振量子态。转换后的光子通过长度达16.5km的光纤链路引导到中间站，其中纠缠交换到原子上。在成功产生原子-原子纠缠后，通过读出脉冲独立分析原子。PC，偏振控制器。

光纤长度为L=6公里的情况下，原子-原子纠缠的表征。a）来自节点1和2的光子相对于节点1中激发时间的检测时间直方图；两个光子的时间重叠为>0.98。b）基于Hong–Ou–Mandel效应的双光子干涉。c）原子-原子状态测量结果的相关概率以蓝色显示，而反相关概率以红色标记。数据拟合了正弦函数。

为了确定长光纤链路的纠缠质量，该团队进行了一系列测量：在长度为L=6、11、23和33公里的光纤配置中生成并观察原子-原子纠缠。对于较长的链路，由于信号衰减约为0.2dB/公里，事件速率会降低并需要更长的通信时间。在33公里的长度时，成功概率为η=1.22 10 6，重复率为R=9.7kHz；所有测量保真度都明显超过了0.5的界限，因此清楚地见证了纠缠态。

长度为L=6、11、23和33公里的测量设置组合和光纤配置节点中相关测量结果的概率。a）、b）分析生成的原子-原子贝尔态时测量结果间的相关性。

对于L=33公里，分别在节点1和2激发后171μs、178μs（接近状态的相干时间）分析状态，可知原子态的退相干主导了较长光纤链路的保真度损失；信噪比（SBR）对光纤长度的增加是稳健的，因为单光子和量子频率转换（QFC）在长链路中都会衰减。暗计数（dark counts）是影响探测效率的主要原因，SBR（L=33公里时为42）的轻微减少可以通过安装具有较低暗计数的探测器来解决。此外，在所有链路配置（方法）中，偏振漂移的补偿都相当好。

各种链路长度的纠缠保真度。不同长度光纤配置观察到的原子-原子纠缠保真度（蓝色）、节点和中间站之间状态的原子-光子纠缠保真度（红色），原子-原子状态退相干的参考测量值（灰色）。

实验结果清楚地表明了大规模量子网络实现的可行性。

进一步研究需要提高链路效率，有几个改进是可行的：

• 原子存储器的相干时间可以通过一个新的陷阱，或者将状态转移到编码对磁场不太敏感的量子比特来实现。

• 纠缠生成方面，对于单个铷原子，光子收集效率已经高达11%。然而从长远来看，为进一步提高事件速率，必须并行化纠缠分发以重新获得可扩展性；对于中性原子平台，可以通过实现原子陷阱阵列来实现：可能会将纠缠生成率提高几个数量级。

总而言之，在节点中使用高效的电信接口，将使两个原子量子存储器在长度达33公里的光纤链路上产生预示纠缠。结果清楚地表明，这将为未来量子网络的长距离纠缠分发铺平道路。

参考链接：

[1]https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wei.zhang

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04764-4