[논문 리뷰] An elementary 158 km long quantum network connecting room temperature quantum memories

Dounan Du, Paul Stankus외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 29.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준 섬유를 통해 158 km 떨어진 실온에서 동작하는 두 개의 양자 메모리 간에 처음으로 장거리 양자 네트워크를 성공적으로 연결하였으며, 단일 광자 수준에서 홍-오우-마탕 간섭의 가시도가 (38±2)%에 도달하였다. 실험은 통신 대역 광자의 불가구분성과 도시 규모 거리에서 메모리 기반 양자 얽힘 분포를 검증하였으며, 확장 가능한 양자 인터넷으로 나아가는 데 있어 핵심적인 단계이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 동작하는 양자 메모리와 통신 대역 광자를 연결하여 장거리 양자 통신을 가능하게 하기 위해.
• 표준 광섬유를 통해 158 km 거리 동안 광자의 불가구분성을 유지하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 도시 규모 거리에서 독립적인 양자 메모리에서 유래한 광자 간의 양자 간섭을 실험적으로 구현하기 위해.
• 미래의 양자 중계기 네트워크를 위한 메모리 보조 양자 얽힘 분포의 실현 가능성을 검증하기 위해.
• 양자 메모리와 섬유 기반 연결을 기반으로 한 도시 간 양자 네트워크의 프로토타입을 구축하기 위해.

제안 방법

• 실온에서 동작하는 희토류 원소 도핑된 결정 두 개를 사용하여 통신 대역 광자를 저장하고 재생하는 양자 메모리로 활용하였다.
• 비선형 섬유에서 자발적 4파면 혼합을 통해 얽힌 광자 쌍을 생성하였으며, 한 광자는 각각의 메모리에 저장되었다.
• 다른 광자는 158 km의 표준 모드 섬유를 통해 먼 수신기로 전송되어 간섭 측정을 위해 사용되었다.
• 장거리 전파 후에 서로 다른 메모리에서 유래한 두 광자 간에 홍-오우-마탕(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭을 수행하였다.
• 전송 후 광자의 불가구분성과 양자 코herence를 평가하기 위해 간섭 가시도를 측정하였다.
• 실제 양자 네트워크 조건을 모의하기 위해 단일 광자 수준의 입력을 사용하여 다중 광자 노이즈를 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 158 km 거리의 표준 섬유를 끼고 독립적인 실온에서 동작하는 양자 메모리 간에 불가구분한 통신 대역 광자를 생성하고 간섭시킬 수 있는가?
• RQ2 원거리에 위치한 양자 메모리에서 유래한 광자가 장거리 전파 후 홍-오우-마탕 간섭의 가시도는 얼마인가?
• RQ3 실온에서 동작하는 양자 메모리는 장거리 양자 네트워크 운영을 위해 필요한 코herence와 광자 불가구분성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 섬유 전파가 메모리 보조 네트워크에서 양자 간섭의 품질을 어느 정도 악화시키는가?
• RQ5 실온에서 동작하는 메모리와 표준 통신 대역 섬유를 사용하여 확장 가능한 양자 네트워크를 구축하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 158 km의 섬유 전파 후 홍-오우-마탕 간섭의 가시도가 (38±2)%에 도달하여 장거리에서의 광자 불가구분성을 입증하였다.
• 가시도는 단일 광자 수준에서 측정되어 실제 네트워크 조건 하에서의 양자 간섭의 강건성을 확인하였다.
• 실온에서 동작하는 희토류 원소 도핑된 결정이 장거리 양자 네트워크를 위한 실현 가능한 양자 메모리로 사용될 수 있음을 검증하였다.
• 독립적인 메모리에서 유래한 광자 간의 성공적인 간섭은 도시 규모 거리에서 메모리 보조 양자 얽힘 분포의 실현 가능성을 확인하였다.
• 이 시스템은 양자 메모리와 표준 통신 대역 섬유를 기반으로 한 장거리 양자 네트워크의 첫 번째 프로토타입을 구현하였다.