普林斯顿大学的研究团队报道了构建量子中继器的新方法。他们利用固态晶体中的铒掺杂剂与纳米光子腔耦合后发射的光子，观察到36千米延迟线后80%的双光子干涉度，表明了出射光子较低的噪声水平与高度不可区分性。该研究为创建所需的通信波段光子态提供了直接途径，并为开发更灵活实用的量子中继技术提供了机遇。该成果于8月30日发表在《自然》杂志上。
© Nature 研究论文以《来自单个固态铒离子的不可区分通信频段光子(Indistinguishable telecom band photons from a single Er ion in the solid state)》为题发表于《自然》杂志
长距离量子网络将在量子信息科学中具有许多应用，包括超安全通信、模块化量子计算和分布式量子传感。这种网络通过在远程节点之间分发纠缠来运行。节点可以通过在其间发送光子连接起来。然而，光子在通过长链路时会衰减。即使在光纤的最佳波长（1.5微米，即通信波长）下，每20公里就会损失约一半的光子。这种损失可以通过使用称为量子中继器的中间网络节点来克服。
量子中继器是使用原子或类原子系统构建的，其光学跃迁（导致单光子发射的能态变化）与内部自由度（例如原子的自旋角动量）相关联，而该内部自由度就可用作量子存储器。中继器能够产生与存储器纠缠的单光子。一对相距遥远的中继器可以通过对它们发射的光子进行联合测量而纠缠在一起。这种测量要求两个光子的不可区分性，且光子不受噪声或随机涨落的影响而退相干。
然而，很少有原子自然地发射通信波长的光子。之前的工作考虑了发射光子波长为1.5微米的铒离子(Er3+)，这些离子可以作为缺陷合并到晶体中，并使用纳米光子器件单独控制 [Phys. Rev. Lett. 120, 243601 (2018), Nature Commun. 11, 1605 (2020)]。但迄今为止，这些器件中的噪声阻碍了不可区分光子的发射。
固态晶体中原子缺陷所经历的退相干大小由噪声量（由晶体中的其他自旋、电荷和晶格振动引起）以及缺陷对该噪声的敏感性所决定。Er3+等稀土离子的一个特殊好处是它们可以掺杂到各种主体材料中，为这些决定因素的设计提供了空间。 因此，科学及们正寻求一种具有两种特性的新型主体材料：核自旋丰度低（以减少磁噪声）和Er3+位点的非极性对称性（以降低电荷敏感性）。
在探索了各种注入铒离子的材料后，研究团队最终选择了钨酸钙CaWO4。铒离子被嵌入该材料的非极性位点，并且核自旋的低丰度允许较长的自旋相干时间。研究团队将硅纳米光子谐振腔粘合到晶体的顶面，以增强并有效收集浅层注入铒离子发射的光子。
© Nature 铒离子被浅层嵌入到钨酸钙中，硅纳米光子谐振器被粘合到晶体的顶面，以增强对铒离子发射的光子的收集。
在激光的激发作用下，铒离子产生了线宽为150 kHz的光发射峰。该线宽是纳米光子器件中固态缺陷的最窄纪录，且比其他宿主材料中的浅层铒离子缩窄了100倍。这使得在通信频段发射几乎无法区分的光子成为可能，研究团队利用HOM干涉最终证明了这一点。
© Nature 发射光子的不可区分性通过所谓的HOM效应来表征。该效应抑制了在分束器输出中以零延迟 (t1−t2=0) 同时检测到两个光子（HOM符合）的概率。
发射光子的高度不可区分性和钨酸钙中铒离子的长自旋相干时间为后续研究自旋-光子纠缠和自旋-自旋纠缠的实验奠定了基础，这些实验目前正在该团队的实验室进行。而实现真正的长距离、多节点量子中继网络还需要进一步延长自旋相干时间。
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https://www.nature.com/articles/s41586-023-06281-4
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