Chinezen verbreken afstandsrecord quantumverstrengeling: 420 kilometer glasvezel

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters als een Editors' Suggestion en verscheen eerder op arXiv . Het experiment is een concrete stap van quantum-netwerken op stedelijke schaal naar echte intercity-verbindingen.

Hoe het experiment werkte

De opstelling bestond uit twee quantumgeheugenknooppunten, Alice en Bob genaamd, met een centraal meetknooppunt (Charlie) ertussen . Elk geheugenknooppunt was een wolk rubidium-87-atomen, gekoeld en gevangen met lasers. Om verstrengeling te creëren, gebruikte het team een bekend protocol, het Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)-schema . Hierbij zendt elk geheugen met een bepaalde waarschijnlijkheid een enkel foton uit. Detectie van dat foton op het centrale knooppunt geeft aan dat de twee geheugens verstrengeld zijn geraakt.

Het team moest drie grote obstakels overwinnen om 420 km te bereiken:

Golflengteconversie. Rubidiumgeheugens zenden van nature fotonen uit rond 780 nm, in het nabij-infrarood. Deze zouden snel worden geabsorbeerd over lange glasvezelafstanden. Het team converteerde elk foton naar de telecom-band (rond 1550 nm) — dezelfde golflengte die wordt gebruikt voor standaard glasvezelcommunicatie — zodat het signaal honderden kilometers kon reizen zonder te worden geabsorbeerd .

Actieve stabilisatie. Over 420 km glasvezel kunnen temperatuurveranderingen, trillingen en andere mechanische effecten de fase-relatie vernietigen die nodig is voor enkel-foton interferentie. Het team installeerde een stabilisatiesysteem dat continu compenseerde voor deze fluctuaties, waardoor de coherentie over de volledige verbinding behouden bleef .

Enkel-foton interferentie. De kernmeting die verstrengeling creëert, vindt plaats op het centrale knooppunt, waar fotonen van Alice en Bob interfereren. Het bereiken van stabiele interferentie met enkele fotonen over zo'n lange afstand was een grote technische uitdaging die het team succesvol oploste .

Doorbreken van de PLOB-bound

Wellicht de belangrijkste bevinding is dat het experiment de PLOB-bound overtrof — de theoretische maximale snelheid waarmee verstrengeling kan worden verdeeld over een verliesgevend kanaal zonder quantum-repeaters . De gemeten waarschijnlijkheid van geheugen-geheugen-verstrengeling overschreed deze limiet op afstanden voorbij ongeveer 230 km, en het voordeel bleef groeien naarmate de glasvezel langer werd, tot 420 km . Zoals een verslag opmerkte, is dit de eerste geheugen-gebaseerde demonstratie die die fundamentele grens overschrijdt .

Het team toonde ook aan dat hun geheugen-geassisteerde schema beter presteert dan directe glasvezel-gebaseerde verstrengelingsdistributie voorbij ongeveer 320 km . Dit komt doordat de geheugen-gebaseerde aanpak schaalt met de vierkantswortel van de kanaaltransmissie, terwijl directe transmissie lineair schaalt met transmissie — een fundamenteel verschil dat geheugens een voordeel geeft op lange afstanden .

Waarom dit belangrijk is voor het quantum-internet

Het verschuift de schaal van stedelijk naar intercity. Eerdere glasvezel-gebaseerde materie-materie-verstrengelingsrecords lagen in het bereik van 50–100 km, wat een typisch stedelijk gebied bestrijkt . Op 420 km komt het experiment in het bereik van afstanden tussen steden. Zoals de auteurs schrijven: "Ons experiment biedt een testomgeving voor het bestuderen van toepassingen van quantum-netwerken voorbij de schaal van een enkele stad" .

Het valideert geheugen-geassisteerde quantum-netwerken. Het resultaat bewijst dat quantumgeheugens verstrengeling kunnen opslaan en aankondigen over praktische glasvezellengtes, terwijl ze de repeaterloze limiet verslaan . Dit is een noodzakelijke voorwaarde voor het bouwen van schaalbare quantum-repeaters en uiteindelijk een volledig quantum-internet .

Het sluit aan bij bestaande telecom-infrastructuur. De belangrijkste componenten — golflengteconversie naar de telecom-band, actieve glasvezelstabilisatie en koude-atomengeheugens — zijn allemaal compatibel met standaard glasvezelapparatuur . Dit suggereert een realistische migratiepad van de huidige quantum-sleuteldistributie (QKD)-netwerken naar een toekomstig quantum-internet met geheugen-ondersteunde langeafstandsverstrengelingsdistributie.

Belangrijke kanttekeningen

Hoewel de technische prestatie oprecht is, is het belangrijk op te merken dat dit een laboratoriumdemonstratie was. Het experiment gebruikte opgespoelde glasvezel in een gecontroleerde omgeving, niet een in het veld aangelegde verbinding . De glasvezel omvatte een kort veldsegment van het universiteitslab naar een meetknooppunt in Hefei Software Park, maar het grootste deel van de afstand was op spoelen . Implementatie in de praktijk vereist het oplossen van extra technische uitdagingen, waaronder de stabiliteit van in het veld aangelegde glasvezel, integratie met schakel- en routeringshardware, en opschaling naar meerdere onderling verbonden knooppunten .