Kinesiske fysikere slår kvanteindfiltringsrekord: Sammenfilterede atomer over 420 km fiber

Publiceret i Physical Review Letters som et Editors' Suggestion og først lagt på arXiv , er eksperimentet et konkret skridt fra kvantenetværk i metropolskala hen imod ægte forbindelser mellem byer.

Sådan fungerede eksperimentet

Systemet var bygget op omkring to kvantehukommelsesnoder, der fik kaldenavnene Alice og Bob, med en central målenode (Charlie) imellem . Hver hukommelsesnode var en sky af rubidium-87-atomer, afkølet og fanget af lasere. For at skabe indfiltring brugte holdet en velkendt protokol kaldet Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)-skemaet . I denne tilgang udsender hver hukommelse probabilistisk en enkelt foton. Når den foton detekteres i den centrale node, signalerer det, at de to hukommelser er blevet sammenfiltret.

Holdet måtte overvinde tre store forhindringer for at nå 420 km:

Bølgelængdekonvertering. Rubidium-hukommelser udsender naturligt fotoner ved omkring 780 nm, i det nærinfrarøde område. Disse ville hurtigt blive absorberet over lange fiberstræk. Holdet konverterede hver foton til telecom-båndet (omkring 1550 nm) – samme bølgelængde, der bruges til standard fiberoptisk kommunikation – så signalet kunne rejse hundredvis af kilometer uden at blive absorberet .

Aktiv stabilisering. Over 420 km fiber kan temperaturændringer, vibrationer og andre mekaniske effekter ødelægge den fasrelation, der er nødvendig for enkelt-foton-interferens. Holdet indsatte et stabiliseringssystem, der løbende kompenserede for disse udsving og bevarede koherensen over hele linket .

Enkelt-foton-interferens. Kerne-målingen, der skaber indfiltringen, sker i den centrale node, hvor fotoner fra Alice og Bob interfererer. At opnå stabil interferens med enkeltfotoner over så lang en distance var en stor teknisk udfordring, som holdet løste .

At bryde PLOB-grænsen

Måske den mest betydningsfulde opdagelse er, at eksperimentet overgik PLOB-bound – den teoretiske maksimale hastighed, hvormed indfiltring kan distribueres over en tabsgivende kanal uden kvante-repeatere . Den målte hukommelse-til-hukommelse-indfiltringssandsynlighed oversteg denne grænse ved afstande ud over cirka 230 km, og fordelen fortsatte med at vokse, efterhånden som fiberlængden steg helt til 420 km . Som en rapport bemærkede, er dette den første hukommelsesbaserede demonstration, der overstiger den fundamentale grænse .

Holdet viste også, at deres hukommelsesassisterede skema overgår direkte fiberbaseret indfiltringsdistribution ud over cirka 320 km . Dette sker, fordi den hukommelsesbaserede tilgang skalerer med kvadratroden af kanalens transmissionsevne, mens direkte transmission skalerer lineært med transmissionsevnen – en fundamental forskel, der giver hukommelser fordelen ved lange afstande .

Hvorfor det betyder noget for kvanteinternettet

Det flytter skalaen fra metropol til mellemby. Tidligere fiberbaserede stof-til-stof-indfiltringsrekorder lå i 50–100 km-området, hvilket dækker en typisk metropolregion . Ved 420 km krydser eksperimentet ind i afstande, der forbinder byer. Som forfatterne skriver: "Vores eksperiment giver et testbed til at studere anvendelser af kvantenetværk ud over skalaen af en enkelt by" .

Det validerer hukommelsesassisterede kvantenetværk. Resultatet beviser, at kvantehukommelser kan lagre og bebudde indfiltring over praktiske fiberlængder, mens de slår den repeaterløse grænse . Dette er en nødvendig forudsætning for at bygge skalerbare kvante-repeatere og i sidste ende et fuldt kvanteinternet .

Det flugter med eksisterende telecom-infrastruktur. Nøglekomponenterne – telecom-båndets bølgelængdekonvertering, aktiv fiberstabilisering og kolde-atom-hukommelser – er alle kompatible med standard fiberoptisk udstyr . Dette antyder en realistisk opgraderingsvej fra nutidens kvante-nøgledistributionsnetværk (QKD) til et fremtidigt kvanteinternet med hukommelsesaktiveret langdistance-indfiltringsdistribution.

Vigtige forbehold

Selvom den tekniske præstation er ægte, er det vigtigt at bemærke, at dette var en laboratoriedemonstration. Eksperimentet brugte spolet fiber i et kontrolleret miljø, ikke et feltudlagt link . Fiberen inkluderede et kort feltsegment, der løb fra universitetslaboratoriet til en målenode i Hefei Software Park, men størstedelen af distancen var på spoler . Virkelig implementering vil kræve løsning af yderligere ingeniørmæssige udfordringer, herunder stabiliteten af feltudlagt fiber, integration med koblings- og routinghardware samt skalering til flere sammenkoblede noder .