重大突破！牛津大学创建全球首个纠缠原子钟的量子网络

量子网络已经被用于量子密码学、量子计算，以及量子理论验证，它们也有可能通过在远程系统之间分配纠缠而增强量子传感。近日，英国牛津大学团队使用光子链路成功“纠缠”了相隔2米的两个88Sr+离子，展示了全球首个纠缠光学原子钟的量子网络。结果表明，量子网络现在已经达到了足够的成熟度，可以用于增强计量学。

9月7日，研究成果以《纠缠光学原子钟的基本量子网络》为题[1]发表在《自然》期刊上。

01

超越量子极限：测量纠缠系统

光学原子钟是我们测量时间和频率的最精确工具。它们能够在不同位置的原子之间进行精确的频率比较，以探测基本常数的时空变化、暗物质的特性，并用于地质测量。然而，对独立系统的测量精度却受到标准量子极限（SQL）的约束。相反，对纠缠系统的测量可以超越SQL，达到量子理论允许的终极精度——所谓的海森堡极限，将能够在更短的时间尺度上探测到各种现象，并通过降低对系统稳定性的要求来揭示以前无法检测到的信号。

标准方法中，光学原子钟比较需要测量相对于激光的每个原子频率。这个激光被用来驱动一个狭窄的光学原子转变，其相对频率通过观察原子状态的变化来确定，这种测量通常使用Ramsey实验。

图1: a）实验装置。该网络包括两个俘获离子系统，Alice和Bob，相隔2米，每个都包含一个88Sr+离子（不按比例）。实验中使用一个光子链路来产生远程纠缠；自发发射的422纳米光子通过光纤传输到贝尔态分析器，在那里测量将离子投射到纠缠态。实验中，使用一个普通的674纳米激光器将这种纠缠映射到S1/2 D5/2的光学时钟转换，该激光器具有从激光系统到光学台的光纤噪声消除（FNC）。这个激光器也被用来探测时钟转换。每个陷阱都有一个独立的声光调制器（AOM）用于开关、频率和相位控制。一个由BA/BB表示的0.5mT的磁场在每个陷阱中提供了一个定量轴。88Sr+的相关能级显示在插图中。b）实验脉冲序列。在一个单一的实验序列中，团队在对纠缠态和非纠缠态进行Ramsey实验后测量离子状态。同时对每个离子进行Ramsey实验，总探测时间为TR。在离子读出、冷却和状态制备之后，对未纠缠的状态重复这一过程。

02

首次纠缠两个原子钟

为远程定位的原子实现这种纠缠增强的挑战是，纠缠状态需要以高保真度和高速（最大化测量占空比）来生成。这妨碍了以前的实验演示。因此，此次实验团队提出了“双节点俘获离子量子网络”——实验组可以在平均8毫秒的时间内以0.960的保真度创造两个远程88Sr+离子的纠缠态，这足以实现纠缠光钟的第一个基本网络。

为比较88Sr+光钟转换频率，科学家对比了三种测量结果：

• 对每个原子的独立测量；

• 对未纠缠的原子测量；

• 对纠缠原子的相关测量。

最终，团队描述了从纠缠中获得的增强效果，并实现了相关原理证明：纠缠将测量的不确定性降低了近 2倍，正如海森堡极限所预测的那样，从而将达到一定精度所需的测量次数减少了一半。不止如此。实际上，今天的光学时钟通常受到激光耗散的限制；在这个体系中，实验团队发现，使用纠缠时钟会带来更大的好处：与传统的相关光谱技术相比，测量次数减少了4倍。

有纠缠和无纠缠的光谱图示。a）、b）使用频率为ωL的探针激光对Alice的原子（蓝色）和Bob的原子（粉色）进行Ramsey实验，对纠缠态和非纠缠态都进行了持续时间为0.1毫秒至20毫秒的Ramsey实验。对于c）-f），在Ramsey持续时间为0.1毫秒时绘制单离子（c）和双离子奇偶性（d）信号。与单离子扫描（蓝色方块和粉色三角形）相比，不完善的纠缠态生成和不完善的自旋回波脉冲的影响增加，降低了纠缠态的对比度（绿色钻石）。来自非纠缠态的双离子信号（橙色圆圈）的对比度约为纠缠态信号的一半；同样，团队绘制了Ramsey持续时间为17.5毫秒时的单离子（e）和双离子奇偶性（f）信号。在这个持续时间内，纠缠增强仍然明显。

纠缠增强的特征。a）单离子(δ -,s)、相关非纠缠(δ -,u)和纠缠(δ -,e)测量的单次频率不确定度，与Ramsey时间(TR)的关系。b）相对于单离子测量（绿松石方块）和相对于两个未纠缠离子的测量（橄榄色圆圈），纠缠增强与Ramsey持续时间（TR）的关系。单离子（蓝色虚线）和未纠缠状态（橙色虚线）的理论增强值分别为2和4。

03

减少磁场波动，创建更大的原子钟网络

此次实验中，团队证明了使用两个纠缠的俘获离子原子钟量子网络进行增强的频率比较；最终，表明纠缠原子钟已经可以为计量学提供实际的增强效果。

不过，与最先进的光钟中使用的500毫秒的探测持续时间相比，此次的纠缠生成持续时间仅为9毫秒。主要是由于磁场波动导致的量子比特退相干，限制了团队使用探针(probe)的持续时间：这种退相干将绝对测量精度限制在10-15的分数频率不确定度上，远远低于光钟的技术水平。未来，通过使用超导螺线管、μ金属屏蔽或更先进的动态去耦方案，将可以大大减少磁场波动。

进一步，一个更大的原子钟网络可以进一步减少测量的不确定性：可以通过在每个节点上使用额外的离子间的局部纠缠操作来增加网络中的离子数量，或者通过使用额外的光子链路来增加节点的数量[2]。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05088-z

[2]https://www.physics.ox.ac.uk/research/group/ion-trap-quantum-computing/research-areas/quantum-networking