[論文レビュー] A multinode quantum network over a metropolitan area

Jianlong Liu, Xi-Yu Luo+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、長寿命量子メモリとしての希土類元素ドープ結晶を用いた都市規模のマルチノード量子ネットワークを実証し、100 kmのファイバーを介して3ノード間でももつれ状態を分配することに成功した。レーザー位相の安定化とデコherenceの低減により、2ノード間のもつれの可視度が0.89に達し、高精度な状態転送とメモリーのコherenceを実現するスケーラブルな量子ネットワーキングの有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

Towards realizing the future quantum internet, a pivotal milestone entails the transition from two-node proof-of-principle experiments conducted in laboratories to comprehensive, multi-node setups on large scales. Here, we report on the debut implementation of a multi-node entanglement-based quantum network over a metropolitan area. We equipped three quantum nodes with atomic quantum memories and their telecom interfaces, and combined them into a scalable phase-stabilized architecture through a server node. We demonstrated heralded entanglement generation between two quantum nodes situated 12.5 km apart, and the storage of entanglement exceeding the round-trip communication time. We also showed the concurrent entanglement generation on three links. Our work provides a metropolitan-scale testbed for the evaluation and exploration of multi-node quantum network protocols and starts a new stage of quantum internet research.

研究の動機と目的

• 固体状態量子メモリを用いて都市圏規模の機能的マルチノード量子ネットワークを構築すること。
• ファイバー路を介した長距離量子状態転送におけるデコherenceおよび位相不安定性を克服すること。
• 安定した位相ロックと低雑音を実現し、3ノード間で高精度のもつれ状態を分配すること。
• 実世界の量子ネットワークに影響を及ぼす実験的不確実要因を定量化し、もつれ可視度への影響を低減すること。

提案手法

• 長寿命のコherence時間と高い保存効率を有する希土類元素ドープ結晶（例：Pr:YSGG）を量子メモリとして使用した。
• 超安定キャビティにロックされた位相安定化レーザーを用い、互いに位相ロックされたレーザーを用いて、レーザー由来の位相ノイズを最小限に抑えた。
• 環境の振動に起因する位相ドリフトを低減するために、局所干渉計のアクティブ位相ロックを実装した。
• 6.8 GHzのレーザービート信号を測定し、ベースバンドにダウンコンvertedし、500 MHz帯域のオシロスコープで記録することで、位相不安定性を推定した。
• 標準偏差（SD）を用いて、保存時間内での位相変化の合計位相不安定性を、原子メモリ、干渉計、レーザーからの寄与のルート和平方和として計算した。
• 位相不安定性、モード不一致、高次励起状態、読み出し光子の不均衡を組み合わせて理論的可視度（V_theory）を推定し、実験結果（V_exp）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 都市規模のファイバー網を介して、固体状態量子メモリを用いてマルチノード量子ネットワークを信頼性高く構築可能か？
• RQ2 実世界の量子ネットワークにおいて、もつれ可視度を制限する主な位相不安定要因は何か？
• RQ3 高次励起状態、モード不一致、レーザーノイズなどの実験的不確実要因が、もつれ可視度にどのように寄与するか？
• RQ4 レーザー、干渉計、メモリからの位相不安定性が、分散もつれの忠実度をどの程度低下させるか？
• RQ5 実験的可視度が理論予測を下回るのはなぜか？その乖離を説明する未特定の不確実要因は何か？

主な発見

• 5 μsの保存時間でノードAとB間のもつれ可視度が0.89に達し、107 μsでは0.88に維持され、高精度な状態転送が実現した。
• 5 μsではレーザー由来の位相不安定性が0.14–0.31 rad（標準偏差）、107 μsでは0.20–0.33 rad（標準偏差）であり、ノードBでは顕著に高いレーザーノイズが観測された。
• 5 μsでの理論的可視度（V_theory）は0.753 ± 0.026であったが、実験的可視度（V_exp）は0.64 ± 0.05にとどまり、未考慮の不確実要因が存在することが示唆された。
• B-C接続では、高い伝送損失とノードBでのより大きなレーザー位相ノイズのため、可視度が最も低く（0.51 ± 0.05）なった。
• 高次励起状態とモード不一致が可視度低下の主な要因であると特定されたが、読み出し光子の不均衡はほとんど影響を及ぼさなかった。
• V_theoryとV_expの乖離は、時間経過に伴い位相ロック点に影響を及ぼす遅いレーザー強度のドリフトなどの追加のノイズ源が存在することを示唆している。