中國科學家創量子纏結新紀錄：420公里光纖成功糾纏兩個量子記憶體

呢項研究以Editors' Suggestion形式刊登喺《Physical Review Letters》，亦都預先放上arXiv，係由城域量子網絡走向真正城際連接嘅重要一步。

實驗係點做嘅？

系統有兩個量子記憶體節點，叫做Alice同Bob，中間有一個中央測量節點Charlie。每個記憶體都係一個用激光冷卻同囚禁嘅銣-87原子雲。要製造纏結，團隊用咗一個出名嘅protocol叫DLCZ方案。簡單講，每個記憶體會隨機發射出一個單光子，當中央節點探測到呢啲光子，就表示兩個記憶體已經糾纏埋一齊。

要達到420公里，團隊要克服三大難關：

波長轉換： 銣記憶體本身發出嘅光子波長大約780納米（近紅外），行好短距離已經會被光纖吸收。團隊將每個光子轉換到電信波段（大約1550納米）——即係一般光纖通訊用嘅波長——咁樣訊號先可以行幾百公里都唔會俾人吸晒。

主動穩定系統： 喺420公里嘅光纖入面，溫度變化、震動等機械影響會破壞單光子干涉需要用嘅相位關係。團隊用嘅穩定系統可以持續補償呢啲波動，令成條link嘅相干性保持到。

單光子干涉： 中央節點要令Alice同Bob嘅光子產生干涉，先至可以製造到纏結。要喺咁長距離做到穩定嘅單光子干涉，係一個好大嘅技術挑戰，而團隊成功解決咗。

突破PLOB bound

今次實驗最顯著嘅成果之一，係超越咗PLOB bound——呢個係無量子中繼器情況下，可以透過有損耗通道分發纏結嘅理論最高速率。團隊量度到，記憶體之間嘅纏結成功率喺大約230公里以上已經超過呢個極限，而且去到420公里，優勢仲越嚟越大。有報道指出，呢個係首次有記憶體方案可以超越呢個基本極限。

團隊仲示範咗，佢哋嘅記憶體輔助方案喺大約320公里以上，表現已經好過直接光纖傳輸。呢個係因為記憶體方案嘅成功率同通道傳輸率嘅平方根成正比，而直接傳輸係同傳輸率成正比——呢個根本分別令記憶體喺長距離有優勢。

對量子互聯網有咩意義？

由城域推到城際： 之前光纖物質對物質嘅纏結紀錄係50至100公里範圍，典型係一個城市嘅規模。去到420公里，已經進入到可以連接城市嘅距離。研究團隊話：「我哋嘅實驗提供咗一個測試平台，去研究超越單一城市規模嘅量子網絡應用」。

驗證記憶體輔助量子網絡： 呢個結果證明咗量子記憶體可以喺實際光纖長度下儲存同宣告纏結，同時超越無中繼上限。呢個係建立可擴展量子中繼器，以至最終完整量子互聯網嘅必要條件。

同現有電信基建相容： 是但關鍵組件——電信波段波長轉換、主動光纖穩定、冷原子記憶體——全部都同標準光纖設備相容。呢個意味住有一條實際嘅升級路徑，由今日嘅量子密鑰分發（QKD）網絡，去到未來有記憶體支援長距離纏結分發嘅量子互聯網。

有咩要留意？

雖然技術成就係真嘅，但要留意呢個係實驗室示範。實驗用嘅係盤繞光纖，唔係現場鋪設嘅線路。光纖入面係有一小段由大學實驗室拉到合肥軟件園嘅現場段，但大部分距離係捲喺線轆上面。實際應用要解決更多工程問題，包括現場光纖嘅穩定性、同交換同路由硬件整合、以及擴展到多個互連節點。