Phá kỷ lục rối lượng tử: Các nhà vật lý Trung Quốc rối hai bộ nhớ lượng tử qua 420 km cáp quang

Được công bố trên Physical Review Letters với đề cử Editors' Suggestion và trước đó trên arXiv , thí nghiệm này là một bước tiến cụ thể từ các mạng lượng tử quy mô đô thị đến các kết nối liên tỉnh thực tế.

Thí nghiệm đã hoạt động như thế nào?

Hệ thống được xây dựng gồm hai nút bộ nhớ lượng tử, có biệt danh là Alice và Bob, với một nút đo trung tâm (Charlie) ở giữa . Mỗi nút bộ nhớ là một đám mây nguyên tử rubidi-87 được làm lạnh và bẫy bằng laser. Để tạo ra rối lượng tử, nhóm đã sử dụng một giao thức nổi tiếng mang tên Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . Trong cách tiếp cận này, mỗi bộ nhớ phát ra một photon đơn lẻ một cách xác suất. Việc phát hiện photon đó tại nút trung tâm báo hiệu rằng hai bộ nhớ đã trở nên rối với nhau.

Nhóm nghiên cứu đã phải vượt qua ba trở ngại chính để đạt được 420 km:

Chuyển đổi bước sóng. Bộ nhớ rubidi tự nhiên phát ra photon ở bước sóng khoảng 780 nm, trong vùng hồng ngoại gần. Các photon này sẽ nhanh chóng bị hấp thụ trên đường truyền cáp quang dài. Nhóm đã chuyển đổi mỗi photon sang băng tần viễn thông (khoảng 1550 nm) — cùng bước sóng được sử dụng trong truyền thông cáp quang tiêu chuẩn — để tín hiệu có thể truyền đi hàng trăm km mà không bị hấp thụ .

Ổn định chủ động. Trên 420 km cáp quang, sự thay đổi nhiệt độ, rung động và các hiệu ứng cơ học khác có thể phá hủy mối quan hệ pha cần thiết cho giao thoa đơn photon. Nhóm đã triển khai một hệ thống ổn định liên tục bù trừ cho các dao động này, bảo toàn tính kết hợp trên toàn bộ kết nối .

Giao thoa đơn photon. Phép đo cốt lõi tạo ra rối lượng tử xảy ra tại nút trung tâm, nơi các photon từ Alice và Bob giao thoa. Việc đạt được giao thoa ổn định với các photon đơn lẻ trên một khoảng cách xa như vậy là một thách thức kỹ thuật lớn mà nhóm đã giải quyết thành công .

Phá vỡ giới hạn PLOB

Có lẽ phát hiện quan trọng nhất là thí nghiệm đã vượt qua giới hạn PLOB — tốc độ tối đa lý thuyết mà rối lượng tử có thể được phân phối qua một kênh tổn hao mà không có bộ lặp lượng tử . Xác suất rối bộ nhớ-bộ nhớ đo được đã vượt quá giới hạn này ở khoảng cách trên khoảng 230 km, và lợi thế tiếp tục tăng khi chiều dài sợi quang tăng lên đến 420 km . Như một báo cáo đã lưu ý, đây là lần trình diễn đầu tiên dựa trên bộ nhớ vượt qua giới hạn nền tảng đó .

Nhóm cũng chứng minh rằng hệ thống hỗ trợ bộ nhớ của họ vượt trội so với phân phối rối trực tiếp qua cáp quang ở khoảng cách trên khoảng 320 km . Điều này xảy ra vì cách tiếp cận dựa trên bộ nhớ mở rộng theo căn bậc hai của độ truyền dẫn kênh, trong khi truyền trực tiếp mở rộng tuyến tính theo độ truyền dẫn — một sự khác biệt cơ bản mang lại lợi thế cho bộ nhớ ở khoảng cách xa .

Tại sao điều này quan trọng cho internet lượng tử?

Nó chuyển quy mô từ đô thị sang liên tỉnh. Các kỷ lục rối vật chất-vật chất qua cáp quang trước đây nằm trong phạm vi 50–100 km, bao phủ một khu vực đô thị điển hình . Ở 420 km, thí nghiệm vượt qua khoảng cách kết nối các thành phố. Như các tác giả viết, "Thí nghiệm của chúng tôi cung cấp một bệ thử nghiệm để nghiên cứu các ứng dụng của mạng lượng tử vượt quá quy mô của một thành phố duy nhất" .

Nó xác nhận các mạng lượng tử hỗ trợ bộ nhớ. Kết quả chứng minh rằng các bộ nhớ lượng tử có thể lưu trữ và báo hiệu rối lượng tử qua các chiều dài cáp quang thực tế trong khi vượt qua giới hạn không lặp . Đây là điều kiện tiên quyết cần thiết để xây dựng các bộ lặp lượng tử có thể mở rộng và cuối cùng là một internet lượng tử hoàn chỉnh .

Nó phù hợp với cơ sở hạ tầng viễn thông hiện có. Các thành phần chính — chuyển đổi bước sóng băng tần viễn thông, ổn định sợi quang chủ động và bộ nhớ nguyên tử lạnh — đều tương thích với thiết bị cáp quang tiêu chuẩn . Điều này cho thấy một lộ trình nâng cấp thực tế từ các mạng phân phối khóa lượng tử (QKD) ngày nay đến một internet lượng tử trong tương lai với phân phối rối tầm xa được hỗ trợ bởi bộ nhớ.

Những lưu ý chính

Mặc dù thành tựu kỹ thuật là có thật, điều quan trọng cần lưu ý rằng đây là một trình diễn trong phòng thí nghiệm. Thí nghiệm sử dụng sợi quang cuộn trong môi trường được kiểm soát, không phải là một kết nối triển khai thực tế . Sợi quang bao gồm một phân đoạn thực địa ngắn chạy từ phòng thí nghiệm của trường đại học đến một nút đo tại Công viên Phần mềm Hợp Phì, nhưng phần lớn khoảng cách là trên các cuộn sợi . Việc triển khai trong thế giới thực sẽ yêu cầu giải quyết các thách thức kỹ thuật bổ sung, bao gồm độ ổn định của sợi quang triển khai thực địa, tích hợp với phần cứng chuyển mạch và định tuyến, và mở rộng quy mô đến nhiều nút kết nối .