Chińscy fizycy ustanawiają nowy rekord kwantowego splątania na odległość 420 km

Wyniki opublikowano w Physical Review Letters jako sugestię redakcyjną (Editors' Suggestion) oraz wcześniej na arXiv . Eksperyment jest konkretnym krokiem od metropolitalnych sieci kwantowych w stronę prawdziwych połączeń międzymiastowych.

Jak działał eksperyment

System składał się z dwóch węzłów pamięci kwantowej, nazwanych Alicja i Bob, z centralnym węzłem pomiarowym (Charlie) między nimi . Każdy węzeł pamięci to chmura atomów rubidu-87 schłodzona i uwięziona za pomocą laserów. Aby stworzyć splątanie, zespół zastosował dobrze znany protokół DLCZ (Duan-Lukin-Cirac-Zoller) . W tym podejściu każda pamięć emituje z pewnym prawdopodobieństwem pojedynczy foton. Wykrycie tego fotonu w centralnym węźle sygnalizuje, że dwie pamięci zostały splątane.

Zespół musiał pokonać trzy główne przeszkody, aby osiągnąć 420 km:

Konwersja długości fali. Pamięci rubidowe naturalnie emitują fotony o długości około 780 nm, w bliskiej podczerwieni. Te fotony zostałyby szybko pochłonięte podczas długiej podróży światłowodem. Zespół przekształcił każdy foton do pasma telekomunikacyjnego (około 1550 nm) – tej samej długości fali, która jest używana w standardowej komunikacji światłowodowej – dzięki czemu sygnał mógł przebyć setki kilometrów bez pochłaniania .

Aktywna stabilizacja. Na dystansie 420 km światłowodu zmiany temperatury, wibracje i inne efekty mechaniczne mogą zniszczyć związek fazowy niezbędny do interferencji pojedynczych fotonów. Zespół wdrożył system stabilizacji, który stale kompensował te fluktuacje, zachowując koherencję na całej długości łącza .

Interferencja pojedynczego fotonu. Kluczowy pomiar tworzący splątanie odbywa się w centralnym węźle, gdzie fotony od Alicji i Boba interferują. Uzyskanie stabilnej interferencji dla pojedynczych fotonów na tak dużej odległości było poważnym wyzwaniem technicznym, które zespół skutecznie rozwiązał .

Przekroczenie granicy PLOB

Być może najważniejszym odkryciem jest to, że eksperyment przekroczył granicę PLOB – teoretyczną maksymalną szybkość, z jaką splątanie może być dystrybuowane przez stratny kanał bez użycia wzmacniaków kwantowych (quantum repeaters) . Zmierzone prawdopodobieństwo splątania między pamięciami przekroczyło tę granicę na dystansach powyżej około 230 km, a przewaga rosła wraz ze wzrostem długości światłowodu, aż do 420 km . Jak zauważył jeden z raportów, jest to pierwsza demonstracja oparta na pamięciach, która przekroczyła tę fundamentalną granicę .

Zespół wykazał również, że ich układ wspomagany pamięcią kwantową przewyższa bezpośrednią dystrybucję splątania światłowodem powyżej około 320 km . Dzieje się tak, ponieważ podejście oparte na pamięciach skaluje się z pierwiastkiem kwadratowym transmitancji kanału, podczas gdy bezpośrednia transmisja skaluje się liniowo – to fundamentalna różnica, która na dużych odległościach daje przewagę pamięciom .

Dlaczego to ważne dla kwantowego internetu

Przejście ze skali metropolitalnej do międzymiastowej. Poprzednie rekordy splątania materia-materia w światłowodzie mieściły się w zakresie 50–100 km, czyli na obszarze typowej metropolii . Przy 420 km eksperyment wkracza w dystanse łączące miasta. Jak piszą autorzy: "Nasz eksperyment stanowi poligon doświadczalny do badania zastosowań sieci kwantowych poza skalą pojedynczego miasta" .

Walidacja sieci kwantowych wspomaganych pamięciami. Wynik dowodzi, że pamięci kwantowe mogą przechowywać i sygnalizować splątanie na praktycznych długościach światłowodów, bijąc jednocześnie limit bez użycia wzmacniaków . Jest to niezbędny warunek wstępny do budowy skalowalnych wzmacniaków kwantowych, a ostatecznie w pełni sprawnego kwantowego internetu .

Zgodność z istniejącą infrastrukturą telekomunikacyjną. Kluczowe komponenty – konwersja długości fali do pasma telekomunikacyjnego, aktywna stabilizacja światłowodu i pamięci z zimnych atomów – są kompatybilne ze standardowym sprzętem światłowodowym . Sugeruje to realistyczną ścieżkę modernizacji od dzisiejszych sieci kwantowej dystrybucji klucza (QKD) do przyszłego kwantowego internetu z dystrybucją splątania na duże odległości z wykorzystaniem pamięci.

Kluczowe zastrzeżenia

Choć osiągnięcie techniczne jest autentyczne, należy pamiętać, że był to pokaz laboratoryjny. W eksperymencie użyto światłowodu nawiniętego na szpule w kontrolowanym środowisku, a nie łącza rozłożonego w terenie . Światłowód obejmował krótki odcinek terenowy biegnący z laboratorium uniwersyteckiego do węzła pomiarowego w Hefei Software Park, ale większość dystansu pokonano na szpulach . Wdrożenie w realnym świecie będzie wymagało rozwiązania dodatkowych wyzwań inżynieryjnych, w tym stabilności światłowodu ułożonego w terenie, integracji z przełączaniem i routingiem oraz skalowania do wielu połączonych węzłów .