[논문 리뷰] Entanglement of two quantum memories via metropolitan-scale fibers

Yong Yu, Fei Ma외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 27.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 도시 규모의 광섬유를 사용하여 두 개의 양자 메모리 간에 장거리 양자 얽힘을 구현한다. 이를 위해 고유한 원자-광자 얽힘과 양자 주파수 변환을 조합하여 광자의 파장을 통신 대역(1550 nm)으로 연장함으로써 실현된다. 이는 두 광자 간 간섭을 통해 22 km의 원자-원자 얽힘을 달성하였고, 연결된 위상 고정 방식을 사용하여 원자 집합체 간 50 km의 얽힘을 구현하였다. 이는 확장 가능한 원자 양자 네트워크로 향하는 핵심 단계를 나타낸다.

ABSTRACT

Quantum internet will enable a number of revolutionary applications, such as distributed quantum computing, large-scale quantum communication and cooperative operation of atomic clocks. It relies on entanglement of remote quantum memories over long distances. Yet, maximal reported distance achieved so far was merely about 1 km and experimental challenges for long distance remains. Here, by using cavity enhancement to create bright atom-photon entanglement and harnessing quantum frequency conversion to shift the atomic wavelength to telecom, we create atom-atom entanglement over 22 km field-deployed fibers via two-photon interference. Moreover, by exploiting a concatenated phase-locking scheme, we use single-photon interference to entangle two atomic ensembles by transmission over 50 km coiled fibers. Our work demonstrates full-functional segments for atomic quantum networks at metropolitan scale, and pave the way towards establishing atomic entanglement over many nodes and over much longer distance in a scalable way.

연구 동기 및 목표

• 이전에 약 1 km로 제한되었던 양자 메모리 간 원거리 얽힘의 범위를 극복하기 위해.
• 현장에 배치된 광섬유를 사용하여 원자 양자 메모리 간 장거리 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 원자 집합체를 기반으로 한 도시 규모의 양자 네트워크를 위한 확장 가능한 아키텍처를 개발하기 위해.
• 장거리 섬유 전송 중 광자 손실과 붕괴를 주파수 변환과 위상 안정화를 통해 해결하기 위해.

제안 방법

• 원자 전이 파장에서 밝고 고정밀도의 원자-광자 얽힘을 생성하기 위해 캐비티 증폭을 사용한다.
• 광자의 파장을 원자 전이 파장(예: 795 nm)에서 통신 대역(1550 nm)으로 이동시켜 표준 섬유에서 저손실 전송을 가능하게 하기 위해 양자 주파수 변환을 적용한다.
• 22 km의 현장 배치된 섬유를 통해 두 광자 간 간섭을 이용해 원자-원자 얽힘을 검증하고 구현한다.
• 50 km의 코iled 섬유에서 광자의 상대 위상을 안정화하기 위해 연결된 위상 고정 방식을 구현하여 원자 집합체 두 개 간의 얽힘을 위한 단일 광자 간섭을 가능하게 한다.
• 원자 집합체를 양자 메모리로 사용하여 광자 얽힘을 일관되고 확장 가능한 방식으로 저장 및 복원한다.
• 실세계 섬유 환경에서 장거리에 걸쳐 양자 얽힘을 유지하기 위해 주파수 변환과 위상 안정화 기술을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자 주파수 변환과 두 광자 간섭을 사용하여 현장에 설치된 광섬유를 통해 22 km 거리의 원자-원자 얽힘을 달성할 수 있는가?
• RQ2 연결된 위상 고정 방식을 사용하여 50 km의 코일 섬유에서 단일 광자 간섭을 안정화시켜 두 원자 집합체를 얽힐 수 있는가?
• RQ3 양자 주파수 변환을 통해 표준 통신 섬유에서 원거리 양자 메모리 간 광자 연결을 저손실로 전송할 수 있는가?
• RQ4 실세계 섬유 인프라에서 실용적인 구성 요소를 사용하여 원자 양자 메모리 간 확장 가능하고 장거리의 얽힘을 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 저자들은 광자 주파수 변환과 두 광자 간섭을 사용하여 현장에 설치된 광섬유를 통해 22 km 거리의 원자-원자 얽힘을 성공적으로 구현하였다.
• 연결된 위상 고정 방식을 통해 50 km의 코일 섬유에서 안정적인 단일 광자 간섭을 실현하여 두 원자 집합체 간의 얽힘을 달성하였다.
• 양자 주파수 변환을 통해 광자의 파장을 795 nm에서 1550 nm로 이동시켜 표준 통신 섬유에서 저손실 전송을 가능하게 하였다.
• 캐비티 증폭을 이용한 원자-광자 얽힘은 광자 연결의 해상도와 정밀도를 크게 향상시켰다.
• 도시 규모의 거리에서 전파 손실과 환경 노이즈에도 불구하고 높은 정밀도의 얽힘을 유지하였다.
• 결과적으로 원자 양자 네트워크의 기능적 전체 아키텍처를 도시 규모에서 검증하였으며, 더 긴 거리와 다중 노드 확장성으로 향하는 명확한 길을 제시하였다.