Przełom w komunikacji kwantowej: splątanie pamięci kwantowych na 420 km

Jak przebiegał eksperyment

• Dwie pamięci kwantowe (atomowe zespoły rubidu), nazwane Alice i Bob, połączono za pomocą światłowodu .
• Centralny węzeł detekcyjny, Charlie, dokonywał pomiarów Bella na fotonach docierających z obu pamięci, aby potwierdzić udane splątanie .
• Zastosowano schemat splątania z pojedynczym fotonem DLCZ (Duan-Lukin-Cirac-Zoller), który generuje splątanie probabilistycznie, wykrywając tylko jeden wyemitowany foton .

Trzy przełomy techniczne, które to umożliwiły

1. Konwersja długości fali do pasma telekomunikacyjnego – Fotony emitowane z pamięci rubidowych zostały przekonwertowane na pasmo telekomunikacyjne S (około 1,5 μm) za pomocą kwantowej konwersji częstotliwości. Umożliwiło to transmisję światłowodem przy stratach zaledwie ~0,17 dB/km .
2. Aktywny system stabilizacji światłowodu – System ze sprzężeniem zwrotnym w czasie rzeczywistym kompensował fluktuacje fazy w długich odcinkach światłowodu, utrzymując widzialność interferencji na całej ścieżce 420 km .
3. Protokół splątania DLCZ z pojedynczym fotonem – Zamiast wymagać koincydencji dwóch fotonów, schemat opierał się na wykryciu tylko jednego fotonu z każdego węzła pamięci, co radykalnie poprawiło szybkość generowania splątania na dużych odległościach .

Przekroczenie granicy PLOB

• Granica PLOB (Pirandola–Laurenza–Ottaviani–Banchi) to fundamentalne ograniczenie szybkości dystrybucji splątania przez stratny kanał bez użycia repeaterów kwantowych .
• Zespół wykazał, że zmierzone prawdopodobieństwo splątania pamięci przekroczyło granicę PLOB dla odległości powyżej około 230–320 km bezpośredniego światłowodu . Oznacza to, że sieć kwantowa wspomagana pamięciami może osiągnąć wyższe szybkości splątania niż jakiekolwiek bezpośrednie połączenie światłowodowe po przekroczeniu tej odległości, co potwierdza przewagę pamięci kwantowych jako węzłów repeaterów .

Znaczenie dla przyszłego kwantowego internetu

• Jest to pierwsza eksperymentalna demonstracja, że sieć kwantowa oparta na pamięciach może pokonać fundamentalną granicę bez repeaterów, potwierdzając kluczowe założenie architektur repeaterów kwantowych .
• Osiągnięcie pokonuje przepaść między sieciami kwantowymi na skalę metropolitalną (dziesiątki km) a międzymiastową (setki km), pokazując, że przechowywana informacja kwantowa może być niezawodnie splątana na odległości łączące miasta .
• Prace te kładą praktyczne podstawy do budowy skalowalnych repeaterów kwantowych opartych na pamięciach, które w przyszłości mogą stanowić szkielet globalnego kwantowego internetu, umożliwiając długodystansową dystrybucję kluczy kwantowych, rozproszone obliczenia kwantowe i bezpieczną komunikację kwantową .