[논문 리뷰] A multinode quantum network over a metropolitan area

Jianlong Liu, Xi-Yu Luo외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 01.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 희토류 원소 도핑된 결정을 사용하여 장수명 양자 메모리를 실현하고, 100 km의 광섬유를 통해 세 개의 노드 간에 얽힘을 분포시키는 도시 규모의 다노드 양자 네트워크를 구현한다. 레이저 위상 안정화 및 디코herence 최소화를 통해 두 노드 간 얽힘에 대해 0.89의 가시도를 달성하여, 고정밀 상태 전송과 메모리 공명성을 확보한 확장 가능한 양자 네트워킹을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 양자 메모리를 사용하여 도시 규모의 다노드 양자 네트워크를 기능적으로 수립하기 위해.
• 광섬유 링크를 통한 장거리 양자 상태 전송에서 발생하는 디코herence와 위상 불안정성 문제를 극복하기 위해.
• 안정적인 위상 락킹과 낮은 노이즈 조건에서 세 노드 간 고정밀 얽힘 분포를 달성하기 위해.
• 실세계 양자 네트워크에서 얽힘 가시도에 영향을 주는 실험적 불완전성 요소를 정량화하고 이를 보완하기 위해.

제안 방법

• 장수명 공명 시간과 높은 저장 효율을 갖춘 희토류 원소 도핑 결정(예: Pr:YSGG)을 양자 메모리로 사용하였다.
• 초안정 공진기와 상호 락킹된 위상 안정 레이저를 사용하여 레이저 유도 위상 노이즈를 최소화하였다.
• 환경 진동으로 인한 위상 드리프트를 줄이기 위해 현지 인터퍼로미터의 능동적 위상 락킹을 구현하였다.
• 6.8 GHz에서 레이저 비트 신호를 측정하고, 기저대역으로 다운컨verting한 후 500 MHz 대역폭 옛스코프로 기록하여 위상 불안정도를 추정하였다.
• 저장 시간 동안 위상 변화의 표준편차(SD)를 사용하여 원자 메모리, 인터퍼로미터, 레이저의 기여도를 합산하여 총 위상 불안정도를 계산하였다.
• 위상 불안정도, 모드 불일치, 고차원 자극, 읽기 출력 불균형을 조합하여 이론적 가시도(V_theory)를 추정하고 실험 결과(V_exp)와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 상태 양자 메모리를 사용하여 도시 규모의 광섬유 네트워크에서 다노드 양자 네트워크를 신뢰성 있게 수립할 수 있는가?
• RQ2 실세계 양자 네트워크에서 얽힘 가시도를 제한하는 주요 위상 불안정 원인은 무엇인가?
• RQ3 고차원 자극, 모드 불일치, 레이저 노이즈와 같은 실험적 불완전성이 함께 얽힘 가시도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 레이저, 인터퍼로미터, 메모리에서 기인하는 위상 불안정도가 분포된 얽힘의 품질에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 실험적 가시도가 이론적 예측보다 낮은 이유는 무엇이며, 이를 설명하지 못한 불완전성 요소는 무엇일 수 있는가?

주요 결과

• 5 μs 저장 시간에서 노드 A와 B 간 얽힘에 대해 0.89의 가시도를 달성하였고, 107 μs에서는 0.88을 기록하여 고정밀 상태 전송이 가능함을 확인하였다.
• 레이저에서 기인한 위상 불안정도는 5 μs에서 0.14–0.31 rad의 표준편차를 보였고, 107 μs에서는 0.20–0.33 rad였으며, 노드 B에서 레이저 노이즈가 뚜렷하게 높았다.
• A-B 간 5 μs에서 이론적 가시도(V_theory)는 0.753 ± 0.026로 추정되었지만, 실험적 가시도(V_exp)는 0.64 ± 0.05로 낮아 예상치 못한 불완전성이 존재함을 시사하였다.
• B-C 연결은 더 높은 전송 손실과 노드 B의 더 큰 레이저 위상 노이즈로 인해 가장 낮은 가시도(0.51 ± 0.05)를 기록하였다.
• 고차원 자극과 모드 불일치가 가시도 저하의 주요 원인로 확인되었으며, 읽기 광자 불균형은 미미한 영향을 미쳤다.
• V_theory와 V_exp 간의 격차는 레이저 강도의 느린 드리프트 등 추가적인 노이즈 원인이 존재할 가능성을 시사하며, 이는 시간에 따라 위상 락킹 지점에 영향을 줄 수 있다.