Rekod Keterjeratan Kuantum Dipecahkan: Ahli Fizik China Menjerat Memori Kuantum Merentasi 420 km Gentian Optik

Diterbitkan dalam Physical Review Letters sebagai Editiors' Suggestion dan pertama kali dimuat naik di arXiv , eksperimen ini merupakan langkah konkrit dari rangkaian kuantum berskala metropolitan ke arah rangkaian antara bandar yang sebenar.

Bagaimana eksperimen ini berfungsi

Sistem ini dibina di sekitar dua nod memori kuantum, yang diberi nama samaran Alice dan Bob, dengan nod pengukuran pusat (Charlie) di antaranya . Setiap nod memori adalah awan atom rubidium-87 yang disejukkan dan diperangkap menggunakan laser. Untuk mencipta keterjeratan, pasukan menggunakan protokol terkenal yang dipanggil skema Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . Dalam pendekatan ini, setiap memori secara berkemungkinan memancarkan satu foton tunggal. Mengesan foton itu di nod pusat menandakan bahawa kedua-dua memori telah menjadi terjerat.

Pasukan itu terpaksa mengatasi tiga halangan utama untuk mencapai 420 km:

Penukaran panjang gelombang. Memori rubidium secara semula jadi memancarkan foton pada sekitar 780 nm, dalam inframerah dekat. Foton ini akan cepat diserap dalam gentian jarak jauh. Pasukan menukar setiap foton ke jalur telekom (sekitar 1550 nm) — panjang gelombang yang sama digunakan untuk komunikasi gentian optik standard — supaya isyarat boleh bergerak ratusan kilometer tanpa diserap .

Penstabilan aktif. Sepanjang 420 km gentian, perubahan suhu, getaran, dan kesan mekanikal lain boleh memusnahkan hubungan fasa yang diperlukan untuk interferens foton tunggal. Pasukan menggunakan sistem penstabilan yang secara berterusan mengimbangi turun naik ini, mengekalkan koheren merentasi keseluruhan pautan .

Interferens foton tunggal. Pengukuran teras yang mencipta keterjeratan berlaku di nod pusat, di mana foton dari Alice dan Bob berinterferens. Mencapai interferens yang stabil dengan foton tunggal pada jarak yang begitu jauh adalah cabaran teknikal utama yang berjaya diselesaikan oleh pasukan .

Melepasi had PLOB

Mungkin penemuan yang paling signifikan ialah eksperimen ini melepasi had PLOB — kadar maksimum teori untuk pengagihan keterjeratan melalui saluran yang hilang tanpa pengulang kuantum . Kebarangkalian penjeratan memori-memori yang diukur melebihi had ini pada jarak melebihi kira-kira 230 km, dan kelebihan ini terus bertambah apabila panjang gentian meningkat sehingga 420 km . Seperti yang dilaporkan, ini adalah demonstrasi berasaskan memori pertama yang melebihi siling asas itu .

Pasukan juga menunjukkan bahawa skim bantuan memori mereka mengatasi pengagihan keterjeratan berasaskan gentian langsung melebihi kira-kira 320 km . Ini berlaku kerana pendekatan berasaskan memori berskala dengan punca kuasa dua transmisi saluran, manakala penghantaran langsung berskala secara linear dengan transmisi — perbezaan asas yang memberikan kelebihan memori pada jarak jauh .

Mengapa ini penting untuk internet kuantum

Ia mengalihkan skala dari metropolitan ke antara bandar. Rekod keterjeratan jirim-ke-jirim berasaskan gentian sebelum ini adalah dalam julat 50–100 km, meliputi kawasan metropolitan biasa . Pada 420 km, eksperimen ini merentasi jarak yang menghubungkan bandar. Seperti yang ditulis oleh penulis, "Eksperimen kami menyediakan tapak ujian untuk mengkaji aplikasi rangkaian kuantum di luar skala sebuah bandar" .

Ia mengesahkan rangkaian kuantum bantuan memori. Hasil ini membuktikan bahawa memori kuantum boleh menyimpan dan memberitahu keterjeratan pada jarak gentian praktikal sambil mengatasi had tanpa pengulang . Ini adalah prasyarat yang diperlukan untuk membina pengulang kuantum berskala dan, akhirnya, internet kuantum sepenuhnya .

Ia selaras dengan infrastruktur telekom sedia ada. Komponen utama — penukaran panjang gelombang ke jalur telekom, penstabilan gentian aktif, dan memori atom sejuk — semuanya serasi dengan peralatan gentian optik standard . Ini menunjukkan laluan peningkatan yang realistik dari rangkaian pengagihan kunci kuantum (QKD) hari ini ke internet kuantum masa depan dengan pengagihan keterjeratan jarak jauh yang didayakan memori.

Kaveat penting

Walaupun pencapaian teknikal ini tulen, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa ini adalah demonstrasi makmal. Eksperimen menggunakan gentian tergulung dalam persekitaran terkawal, bukan pautan yang digunakan di lapangan . Gentian itu termasuk segmen lapangan pendek yang berjalan dari makmal universiti ke nod pengukuran di Taman Perisian Hefei, tetapi kebanyakan jarak adalah pada gulungan . Penggunaan di dunia sebenar memerlukan penyelesaian cabaran kejuruteraan tambahan, termasuk kestabilan gentian di lapangan, integrasi dengan perkakasan pensuisan dan penghalaan, dan penskalaan kepada berbilang nod yang saling berkaitan .