[論文レビュー] An elementary 158 km long quantum network connecting room temperature quantum memories

Dounan Du, Paul Stankus+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、標準光ファイバーを介して158 kmの距離を隔てた室温量子メモリを接続する最初の長距離量子ネットワークを実証した。単一光子レベルでのホン＝オウ＝マンド干渉の可視度は(38±2)%に達した。この実験により、通信波長帯の光子の同一性とメモリを用いたもつれ配布が都市規模の距離で実現可能であることが裏付けられ、スケーラブルな量子インターネットへの重要な一歩となった。

ABSTRACT

First-generation long-distance quantum repeater networks require quantum memories capable of interfacing with telecom photons to perform quantum-interference-mediated entanglement generation operations. The ability to demonstrate these interconnections using real-life fiber connections in a long-distance setting is paramount to realize a scalable quantum internet. Here we address these significant challenges by observing Hong-Ou-Mandel (HOM) interference between indistinguishable telecom photons produced in two independent room temperature quantum memories, separated by a distance of 158 km. We obtained interference visibilities after long-distance propagation of $ m \boldsymbol{V=(38\pm2)\%}$ for single-photon level experimental inputs. This first-of-its-kind quantum network prototype connecting quantum laboratories in Stony Brook University and Brookhaven National Laboratory is envisioned to evolve into a large-scale memory-assisted entanglement distribution quantum network, the basis for inter-city quantum communication.

研究の動機と目的

• 通信波長帯の光子とインターフェースをとる室温量子メモリを用いた長距離量子通信の実現を目的とする。
• 標準光ファイバーを158 km通過した後でも光子の同一性を維持するという課題を克服することを目的とする。
• 都市規模の距離で独立した量子メモリから放出された光子の干渉を実証することを目的とする。
• 将来的な量子リピーターネットワークにおけるメモリ支援型もつれ配布の実現可能性を検証することを目的とする。
• 量子メモリとファイバー光回線を基盤とする都市間量子ネットワークのプロトタイプを構築することを目的とする。

提案手法

• 通信波長帯の光子を記録・再生するため、独立した室温の希土類元素ドープ水晶を量子メモリとして用いた。
• 非線形ファイバーを用いた自己相関四波混合によりもつれ光子対を生成し、一方の光子をそれぞれのメモリに記録した。
• もう一方の光子を158 kmの標準モードファイバーを介して遠隔受信機に伝送し、干渉測定を実施した。
• 長距離伝送後の独立したメモリから放出された2つの光子間でホン＝オウ＝マンド（HOM）干渉を実行した。
• 干渉可視度を測定することで、伝送後の光子の同一性とコherー二ンスを評価した。
• 現実の量子ネットワーク条件を再現するため、単一光子レベルの入力を用い、複数光子ノイズを最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 158 kmの標準ファイバーを隔てた独立した室温量子メモリ間で、同一性を持つ通信波長帯光子を生成し、干渉を実現できるか？
• RQ2 遠隔に位置する量子メモリから発生した光子が長距離伝送を経て、ホン＝オウ＝マンド干渉の可視度はどの程度か？
• RQ3 室温で動作する量子メモリは、長距離量子ネットワーク運用に必要なコherー二ンスと光子同一性を維持できるか？
• RQ4 ファイバー伝送によって、メモリ支援型ネットワークにおける量子干渉の品質はどの程度劣化するか？
• RQ5 室温メモリと標準通信波長帯ファイバーを用いたスケーラブルな量子ネットワークを構築することは現実可能か？

主な発見

• 158 kmのファイバー伝送後、ホン＝オウ＝マンド干渉の可視度が(38±2)%に達した。これは長距離における光子同一性の実証である。
• 可視度は単一光子レベルで測定されたため、現実のネットワーク条件下でも量子干渉の頑健性が確認された。
• 室温で動作する希土類元素ドープ水晶が、長距離量子ネットワークに適した量子メモリとして有効であることが裏付けられた。
• 独立したメモリから放出された光子間の成功した干渉は、都市規模の距離におけるメモリ支援型もつれ配布の実現可能性を確認した。
• 本システムは、量子メモリと標準通信波長帯ファイバーを基盤とする長距離量子ネットワークの最初のプロトタイプを示した。