[論文レビュー] A long-distance quantum-capable internet testbed

Dounan Du, Leonardo Castillo-Veneros+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Quantum optics and atomic interactions被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ストーニー・ブルック大学とブルークヘブン国立研究所の間で158 kmにわたる長距離量子通信可能なインターネットテストベッドを提示している。このテストベッドでは、ソフトウェア定義ネットワーキングとタイムセンシティブネットワーキングを、室温で動作する量子メモリに保存された光子への通信周波数変換を介した量子通信と統合している。主な結果として、独立した量子メモリから発生する光子間で高可視性のホン・オウ・マデル干渉（可視性 > 0.5）を実証し、都市間距離での基本的量子ネットワークサービスの妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

Building a Quantum Internet requires the development of innovative quantum-enabling networking architectures that integrate advanced communication systems with long-distance quantum communication hardware. Here, we present the implementation of a quantum-enabled internet prototype using a novel physics-centric stack-based quantum network paradigm to govern the dynamics of multiple light-matter Hamiltonians across distant nodes. We demonstrate this concept using a deployed large-scale intercity quantum network connecting laboratories at Stony Brook University and the Brookhaven National Laboratory. This network facilitates a fundamental long-distance quantum network service -that of high-visibility Hong-Ou-Mandel interference of telecom quantum states generated in two independent, telecom-compatible quantum light-matter interfaces separated by a distance of 158 km.

研究の動機と目的

• 古典的ソフトウェア定義ネットワーキングと量子通信を統合したスケーラブルで長距離の量子ネットワークテストベッドの開発。
• メトロポリタンスケールの距離で、遠隔に位置する量子メモリ間での高精度な量子状態転送と干渉を可能にすること。
• 古典的制御、量子を可能にする、量子の各レイヤーを統合したハイブリッド量子インターネットスタックの実現可能性を検証すること。
• 商業用ダークファイバー158 kmを介して保存されたテレコミュ周波数に変換された光子を用いた、耐障害性の高い量子干渉（HOM）の実証。
• ユーザー定義の量子ネットワーク操作を可能にする制御プロトコルスイートとAPIの構築。

提案手法

• 2つの機関間で商業用ダークファイバーを用いた158 kmの量子ネットワークを展開し、量子信号および制御信号のための専用光路を確保。
• ルビジウム共鳴周波数の近赤外光子をテレコミュ波長に変換するための室温で動作するレアアースドーパー結晶量子メモリを実装。
• 長距離伝送中の量子コherenの維持のため、時間および偏光安定化システムを統合。
• 3層構造のハイブリッドネットワークスタック（古典的制御、量子を可能にする（タイミング、位相、偏光）、量子（メモリ、検出、光子伝送））を設計。
• 量子ネットワーク制御プロトコルスイート（QNCPS）とAPIを開発し、量子ネットワークサービスのプログラマブルな実行を可能に。
• 同期されたガウスパルストレインを用い、パルス間隔とコherenス時間の影響を考慮した修正された干渉モデルを用いてHOM干渉を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 158 kmのファイバーを介して分離された独立した量子メモリから発生する光子間で、高可視性のホン・オウ・マデル干渉を達成できるか？
• RQ2 ソフトウェア定義ネットワーキングおよびタイムセンシティブネットワーキングの原則を、長距離量子通信と効果的に統合することで、量子ネットワークサービスの動的制御が可能になるか？
• RQ3 テレコミュ周波数に変換された光子を用いて、都市間距離を越えて量子コherenスおよび干渉可視性をどの程度維持できるか？
• RQ4 パルス間隔および光源のコherenス時間は、長距離量子ネットワークにおけるHOM干渉ディップの可視性および形状にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 ハイブリッドネットワークスタック抽象化は、メトロポリタンスケールの量子インターネットテストベッド上で、信頼性がありユーザーがプログラム可能な量子ネットワーク操作をサポートできるか？

主な発見

• 158 kmの距離で分離された2つの独立した量子メモリから発生する光子間で、高可視性のホン・オウ・マデル干渉（可視性 > 0.5）が成功裏に実証された。
• 光源の帯域幅およびパルス間隔の変動条件においてもHOMディップが維持されたことから、長距離での耐障害性の高い量子干渉が確認された。
• 158 kmのリンク間で時間および偏光同期が安定して維持され、独立して生成された光子間のコherenス干渉が可能になった。
• 量子周波数変換の使用により、既存のテレコミュインfraストラクチャとの互換性が確保され、長距離伝送が可能になった。
• QNCPSおよび関連APIにより、周波数変換およびノード間光子干渉を含む、信頼性のある量子ネットワークサービスの実行が可能になった。
• パルストレインの理論的モデリングにより、パルスが十分に分離されている場合、中央のHOMピークでのみ量子干渉が観測され、ピーク外のペアは古典的強度相関に起因することが示された。