Rekor Keterikatan Kuantum Pecah: Fisikawan China Kaitkan Memori Kuantum Sepanjang 420 Km Serat Optik

Diterbitkan di Physical Review Letters sebagai Editors' Suggestion dan pertama kali diunggah di arXiv , eksperimen ini merupakan langkah konkret dari jaringan kuantum skala metropolitan menuju koneksi antar kota yang sesungguhnya.

Bagaimana Eksperimen Ini Bekerja

Sistem ini dibangun di sekitar dua node memori kuantum yang dijuluki Alice dan Bob, dengan node pengukuran pusat (Charlie) di antaranya . Setiap node memori adalah awan atom rubidium-87 yang didinginkan dan diperangkap oleh laser. Untuk menciptakan keterikatan, tim menggunakan protokol terkenal yang disebut skema Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . Dalam pendekatan ini, setiap memori secara probabilistik memancarkan satu foton. Mendeteksi foton itu di node pusat menandakan bahwa kedua memori telah menjadi terjerat.

Tim harus mengatasi tiga hambatan utama untuk mencapai 420 km:

Konversi panjang gelombang. Memori rubidium secara alami memancarkan foton pada sekitar 780 nm, di inframerah-dekat. Foton ini akan cepat diserap jika dikirim melalui serat jarak jauh. Tim mengonversi setiap foton ke pita telekomunikasi (sekitar 1550 nm) — panjang gelombang yang sama yang digunakan untuk komunikasi serat optik standar — sehingga sinyal dapat melakukan perjalanan ratusan kilometer tanpa diserap .

Stabilisasi aktif. Sepanjang 420 km serat, perubahan suhu, getaran, dan efek mekanis lainnya dapat menghancurkan hubungan fase yang diperlukan untuk interferensi foton tunggal. Tim menggunakan sistem stabilisasi yang terus-menerus mengkompensasi fluktuasi ini, menjaga koherensi di seluruh tautan .

Interferensi foton tunggal. Pengukuran inti yang menciptakan keterikatan terjadi di node pusat, di mana foton dari Alice dan Bob berinterferensi. Mencapai interferensi yang stabil dengan foton tunggal pada jarak sejauh itu merupakan tantangan teknis besar yang berhasil dipecahkan oleh tim .

Melampaui Batas PLOB

Mungkin temuan yang paling signifikan adalah bahwa eksperimen ini melampaui batas PLOB — laju maksimum teoretis di mana keterikatan dapat didistribusikan melalui saluran yang lossy tanpa pengulang kuantum . Probabilitas keterikatan memori-ke-memori yang terukur melampaui batas ini pada jarak di atas sekitar 230 km, dan keunggulan ini terus bertambah seiring bertambahnya panjang serat hingga 420 km . Seperti yang disebutkan dalam sebuah laporan, ini adalah demonstrasi berbasis memori pertama yang melampaui batas fundamental tersebut .

Tim juga mendemonstrasikan bahwa skema berbantuan memori mereka mengungguli distribusi keterikatan langsung berbasis serat di luar sekitar 320 km . Hal ini terjadi karena pendekatan berbasis memori berskala dengan akar kuadrat dari transmitansi saluran, sementara transmisi langsung berskala linear dengan transmitansi — perbedaan fundamental yang memberikan keunggulan memori pada jarak jauh .

Mengapa Ini Penting untuk Internet Kuantum

Ini mengubah skala dari metropolitan ke antar kota. Rekor keterikatan materi-ke-materi berbasis serat sebelumnya berada di kisaran 50–100 km, yang mencakup area metropolitan pada umumnya . Pada 420 km, eksperimen ini memasuki jarak yang menghubungkan kota-kota. Seperti yang ditulis oleh para penulis, "Eksperimen kami menyediakan tempat uji untuk mempelajari aplikasi jaringan kuantum di luar skala satu kota" .

Ini memvalidasi jaringan kuantum berbantuan memori. Hasilnya membuktikan bahwa memori kuantum dapat menyimpan dan mengumumkan keterikatan pada jarak serat praktis sambil melampaui batas repeaterless . Ini adalah prasyarat yang diperlukan untuk membangun pengulang kuantum yang skalabel dan, pada akhirnya, internet kuantum penuh .

Ini selaras dengan infrastruktur telekomunikasi yang ada. Komponen utama — konversi panjang gelombang pita telekomunikasi, stabilisasi serat aktif, dan memori atom dingin — semuanya kompatibel dengan peralatan serat optik standar . Ini menunjukkan jalur peningkatan yang realistis dari jaringan distribusi kunci kuantum (QKD) saat ini menuju internet kuantum masa depan dengan distribusi keterikatan jarak jauh yang diaktifkan memori.

Catatan Penting

Meskipun pencapaian teknis ini asli, penting untuk dicatat bahwa ini adalah demonstrasi laboratorium. Eksperimen ini menggunakan serat yang digulung di lingkungan yang terkendali, bukan tautan yang dipasang di lapangan . Serat tersebut mencakup segmen lapangan pendek yang membentang dari laboratorium universitas ke node pengukuran di Taman Perangkat Lunak Hefei, tetapi sebagian besar jaraknya adalah pada gulungan . Penerapan di dunia nyata akan memerlukan pemecahan tantangan teknik tambahan, termasuk stabilitas serat yang dipasang di lapangan, integrasi dengan perangkat switching dan routing, dan penskalaan ke beberapa node yang saling terhubung .