Kinesiska fysiker slår rekord i kvantsammanflätning – över 42 mil fiber

Publicerat i Physical Review Letters som ett Editors' Suggestion och först lagt upp på arXiv , är experimentet ett konkret steg från storstadsskaliga kvantnätverk mot verkliga länkar mellan städer.

Så fungerade experimentet

Systemet byggdes upp kring två kvantminnesnoder, döpta Alice och Bob, med en central mätnod (Charlie) emellan . Varje minnesnod utgjordes av ett moln av rubidium-87-atomer som kylts och fångats med lasrar. För att skapa sammanflätning använde teamet ett välkänt protokoll som kallas Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)-schemat . I denna metod avger varje minne med viss sannolikhet en enskild foton. När den fotonen detekteras i den centrala noden signalerar det att de två minnena har blivit sammanflätade.

Teamet var tvunget att övervinna tre stora hinder för att nå 420 km:

Våglängdsomvandling. Rubidiumminnen avger naturligt fotoner vid cirka 780 nm, i det nära infraröda. Dessa skulle snabbt absorberas över långa fibersträckor. Teamet omvandlade varje foton till telekombandet (cirka 1550 nm) – samma våglängd som används i standard fiberoptisk kommunikation – så att signalen kunde färdas hundratals kilometer utan att absorberas .

Aktiv stabilisering. Över 420 km fiber kan temperaturförändringar, vibrationer och andra mekaniska effekter förstöra den fasrelation som krävs för enkelfotoninterferens. Teamet installerade ett stabiliseringssystem som kontinuerligt kompenserade för dessa fluktuationer och bevarade koherensen över hela länken .

Enkelfotoninterferens. Den centrala mätningen som skapar sammanflätning sker i den centrala noden, där fotoner från Alice och Bob interfererar. Att uppnå stabil interferens med enstaka fotoner över en så lång distans var en stor teknisk utmaning som teamet framgångsrikt löste .

Att bryta PLOB-bunden

Kanske den mest betydelsefulla upptäckten är att experimentet överträffade PLOB-bunden – den teoretiska maxhastigheten för distribution av sammanflätning över en förlustrik kanal utan kvantrepeaters . Den uppmätta sannolikheten för sammanflätning mellan minnena översteg denna gräns vid avstånd bortom cirka 23 mil, och fördelen växte med fiberlängden ända upp till 42 mil . Som en rapport noterade är detta den första minnesbaserade demonstrationen som överträffar den fundamentala gränsen .

Teamet visade också att deras minnesassisterade metod presterar bättre än direkt fiberbaserad sammanflätning bortom cirka 32 mil . Detta beror på att den minnesbaserade metoden skalar med kvadratroten av kanalens transmissionsfaktor, medan direkt överföring skalar linjärt med transmissionsfaktorn – en fundamental skillnad som ger minnena en fördel vid långa avstånd .

Varför det är viktigt för kvantinternet

Det flyttar skalan från storstad till mellanstad. Tidigare fiberbaserade rekord för materiebaserad sammanflätning låg i intervallet 5–10 mil, vilket täcker en typisk storstad . Vid 42 mil når experimentet avstånd som kan koppla samman städer. Som författarna skriver: "Vårt experiment ger en testbädd för att studera tillämpningar av kvantnätverk bortom skalan av en enskild stad" .

Det validerar minnesbaserade kvantnätverk. Resultatet bevisar att kvantminnen kan lagra och tillkännage sammanflätning över praktiska fiberlängder samtidigt som de slår den repeaterlösa gränsen . Detta är en nödvändig förutsättning för att bygga skalbara kvantrepeaters och i slutändan ett fullt kvantinternet .

Det passar med befintlig telekominfrastruktur. Nyckelkomponenterna – våglängdsomvandling till telekombandet, aktiv fiberstabilisering och kallatomsminnen – är alla kompatibla med standard fiberoptisk utrustning . Detta antyder en realistisk uppgraderingsväg från dagens kvantnyckeldistributionsnätverk (QKD) till ett framtida kvantinternet med minnesstödd långdistansdistribution av sammanflätning.

Viktiga förbehåll

Även om den tekniska prestationen är genuin är det viktigt att notera att detta var en laboratoriedemonstration. Experimentet använde upplindad fiber i en kontrollerad miljö, inte en fältdragen länk . Fibern inkluderade en kort fältsträcka från universitetslaboratoriet till en mätnod vid Hefei Software Park, men större delen av distansen låg på spolar . Verkliga tillämpningar kommer att kräva att ytterligare ingenjörsutmaningar löses, inklusive stabilitet hos fältdragen fiber, integration med switch- och routinghårdvara samt skalning till flera sammankopplade noder .