德国慕尼黑大学的Harald Weinfurter教授和萨尔大学的Christoph Becher 教授领导的团队在长达33公里的电信光纤上实现了两个远程量子节点之间的纠缠分发，量子链路效率达到10-5到10-6左右的水平。这个结果显示了在通信光纤链路上进行纠缠分发是可行的，对于与设备无关的量子密钥分发和量子中继器等技术具有实用前景，向实现大规模量子网络链路迈出了重要一步。该研究成果于7月6日发表在《自然》杂志上[1]。
量子网络有望为许多颠覆性的应用提供基础设施，如高效的长距离量子通信和分布式量子计算。在遥远的量子系统之间共享纠缠是实现未来量子网络的一个关键因素。一般来说，量子网络由单个量子存储器的节点组成——如原子、离子或晶格中的缺陷。这些节点能够接收、存储和传输量子态。节点之间的连接可以使用光子来完成，这些光子可以通过自由空间或光纤连接，并以有针对性的方式进行纠缠交换。由于此过程中光子的衰减损耗是不可避免的，量子中继器对中间节点有效地纠缠分发至关重要。为了最大限度地减少量子通道上的损耗，从而利用现成的光纤基础设施最大限度地扩大量子网络中相邻节点之间的距离，有必要在通信波长下运行（通信波段是光纤中光传输损耗最低的波长范围）。最近，利用量子频率转换（QFC），在低损耗通信波段的光-物质纠缠分发已在多种类型的量子存储器中实现，包括NV-色心、离子、原子和原子系综。这主要是由新的量子频率转换器促成的，在保留光子偏振的同时，其外部设备转换效率已高达57%。在物质比特的纠缠分发方向，荷兰代尔夫特理工大学在2015年取得了一个标志性成果，实现了经由1.7公里光纤连接的NV色心间纠缠。2020年，中国科学技术大学进一步提升光纤距离至50公里，实现了冷原子系综间的远距离纠缠，然而两台实验装置并不独立。
在Becher等人的实验中，使用了由两个光学偶极阱囚禁的单个铷原子组成的系统，分别放置在慕尼黑大学校园的两个实验室中。这两个地方通过一条700米长的光缆连接，通过在线圈上增加额外的光纤，可以实现长达33公里的连接。两个原子被同步激发，随后自发衰变回基态，这个过程会发射一个780纳米波长的光子。由于角动量守恒，原子的自旋与光子的偏振产生纠缠。使用高数值孔径物镜收集波长为780纳米的光子，并将其耦合到QFC装置的单模光纤中，在那里转换为波长1517纳米的通信波长，该团队的转换效率高达57%，并设法在很大程度上保留了光子的偏振信息。转换后的光子通过长达16.5公里的光纤链路被导引到一个中间站，在那里进行贝尔态测量，以将纠缠交换到原子上。在成功产生原子-原子纠缠后，通过读出脉冲独立分析原子。为了评估未来量子网络中纠缠生成的性能，最近引入了所谓的量子链路效率。它被定义为纠缠生成率与纠缠衰减率之比，描述了在未来的量子网络中如何有效地使用纠缠作为资源。理想情况下，它应该超过1，也就是说，纠缠可以按需使用，因为它的生成速度比它的衰减速度快。然而，由于信号检测概率的指数下降，链路效率随长度迅速下降，但对于本文实现的链路长度来说，更主要的是由于节点之间经典通信的等待时间。在这个原理验证的演示中，链接效率在10-5到10-6的水平，主要是由于低的光子收集效率、相对较短的相干时间和长的光纤链接。
论文的主要作者Tim van Leent说：“我们实验的意义在于，我们实际上纠缠了两个静止的粒子——也就是说，作为量子存储器的原子，这比纠缠光子要困难得多，但它开启了更多的应用可能性。”研究人员认为，他们开发的系统可用于构建大规模的量子网络，并用于实施安全的量子通信协议。Harald Weinfurter说：“该实验是在通往基于现有光纤基础设施的量子互联网道路上的重要一步。”
值得指出的是，中国科学技术大学团队也在近期取得重要突破，实现了分离12.5公里的存储器间纠缠，在链接效率等方面优于上述工作。相关论文于7月29日发表在《物理评论快报上》[2]。
论文链接：
[1].https://www.nature.com/articles/s41586-022-04764-4
[2].https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050503
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