Kinesiske fysikere knuser rekorden for kvantesammenfiltring: 420 km fiber

Publisert i Physical Review Letters som en Editors' Suggestion og først lagt ut på arXiv , er eksperimentet et konkret skritt fra kvantenettverk i metropolitanskala mot reelle forbindelser mellom byer.

Slik fungerte eksperimentet

Systemet var bygget rundt to kvanteminne-noder, kalt Alice og Bob, med en sentral målenode (Charlie) imellom . Hver minnenode bestod av en sky av rubidium-87-atomer som ble avkjølt og fanget av lasere. For å skape sammenfiltring brukte teamet en velkjent protokoll kalt Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)-ordningen . I denne tilnærmingen sender hvert minne sannsynlighetsbasert ut et enkelt foton. Deteksjon av dette fotonet ved sentralnoden signaliserer at de to minnene har blitt sammenfiltret.

Teamet måtte overvinne tre store hindringer for å nå 420 km:

Bølgelengdekonvertering. Rubidium-minnene sender naturlig ut fotoner ved omtrent 780 nm, i nær-infrarødt område. Disse ville raskt bli absorbert over lange fiberstrekninger. Teamet konverterte hvert foton til telekommunikasjonsbåndet (rundt 1550 nm) – samme bølgelengde som brukes i standard fiberoptisk kommunikasjon – slik at signalet kunne reise hundrevis av kilometer uten å bli absorbert .

Aktiv stabilisering. Over 420 km fiber kan temperaturendringer, vibrasjoner og andre mekaniske effekter ødelegge faseforholdet som er nødvendig for enkeltfoton-interferens. Teamet tok i bruk et stabiliseringssystem som kontinuerlig kompenserte for disse svingningene, og dermed bevarte koherensen over hele strekningen .

Enkeltfoton-interferens. Kjernemålingen som skaper sammenfiltringen, skjer ved sentralnoden, der fotoner fra Alice og Bob interfererer. Å oppnå stabil interferens med enkeltfotoner over en så lang avstand var en stor teknisk utfordring som teamet løste .

Å bryte PLOB-grensen

Kanskje den mest betydningsfulle oppdagelsen er at eksperimentet oversteg PLOB-grensen – den teoretiske maksimale hastigheten som sammenfiltring kan distribueres med over en tapsrik kanal uten kvanterepeatere . Den målte sannsynligheten for sammenfiltring mellom minnene oversteg denne grensen ved avstander utover omtrent 230 km, og fordelen fortsatte å vokse etter hvert som fiberlengden økte helt til 420 km . Som én rapport bemerket, er dette den første minnebaserte demonstrasjonen som overstiger dette fundamentale taket .

Teamet viste også at deres minneassisterte metode utkonkurrerer direkte fiberbasert distribusjon av sammenfiltring utover omtrent 320 km . Dette skjer fordi den minnebaserte metoden skalerer med kvadratroten av kanalens transmittans, mens direkte overføring skalerer lineært med transmittans – en fundamental forskjell som gir minnene et forsprang over lange avstander .

Hvorfor dette er viktig for kvanteinternett

Det flytter skalaen fra metropol til mellom byer. Tidligere fiberbaserte rekorder for sammenfiltring mellom materie lå i området 50–100 km, noe som dekker en typisk storbyregion . Ved 420 km krysser eksperimentet inn i avstander som forbinder byer. Som forfatterne skriver: «Eksperimentet vårt gir en testplattform for å studere anvendelser av kvantenettverk utover skalaen til en enkelt by» .

Det validerer minneassisterte kvantenettverk. Resultatet beviser at kvanteminneenheter kan lagre og bekjentgjøre sammenfiltring over praktiske fiberlengder samtidig som de slår den repeaterløse grensen . Dette er en nødvendig forutsetning for å bygge skalerbare kvanterepeatere og til slutt et fullt kvanteinternett .

Det er i tråd med eksisterende telekommunikasjonsinfrastruktur. Nøkkelkomponentene – bølgelengdekonvertering til telekommunikasjonsbåndet, aktiv fiberstabilisering og kalde-atom-minner – er alle kompatible med standard fiberoptisk utstyr . Dette antyder en realistisk oppgraderingsvei fra dagens kvantenøkkeldistribusjonsnettverk (QKD) til et fremtidig kvanteinternett med minnebasert langdistanse-distribusjon av sammenfiltring.

Viktige forbehold

Selv om den tekniske prestasjonen er reell, er det viktig å merke seg at dette var en laboratoriedemonstrasjon. Eksperimentet brukte spolet fiber i et kontrollert miljø, ikke en feltutplassert forbindelse . Fiberspolene inkluderte en kort feltstrekning fra universitetslaboratoriet til en målenode ved Hefei Software Park, men mesteparten av avstanden var på spoler . Virkelig utrulling vil kreve å løse ytterligere ingeniørutfordringer, inkludert stabiliteten til feltutplassert fiber, integrering med svitsje- og ruteutstyr, og skalering til flere sammenkoblede noder .