[論文レビュー] Entanglement of two quantum memories via metropolitan-scale fibers

Yong Yu, Fei Ma+15 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2019

Quantum optics and atomic interactions被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、都市域スケールの光ファイバーを用いて、キャビティ強化された原子光子もつれと量子周波数変換を組み合わせることで、2つの量子メモリの長距離もつれを実証した。22 kmの原子-原子もつれは二光子干渉により達成され、50 kmの原子アンサンブル間のもつれは連結型位相ロック方式を用いた単一光子干渉により達成された。これはスケーラブルな原子量子ネットワークへの重要な一歩である。

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.

研究の動機と目的

• 量子メモリにおける遠距離もつれの範囲制限を克服すること。これは、これまで約1 kmに制限されてきた。
• 実地に設置された光ファイバーを用いて、原子量子メモリの長距離もつれを可能にすること。
• 原子アンサンブルに基づく都市域スケールの量子ネットワークのスケーラブルなアーキテクチャを開発すること。
• 長距離ファイバー伝送における光子の損失とデコherenceを、周波数変換と位相安定化によって是正すること。

提案手法

• 原子遷移波長での高品質な明るい原子光子もつれを生成するためにキャビティ強化を用いる。
• 光子波長を原子遷移波長（例：795 nm）から通信帯（1550 nm）に量子周波数変換することで、通常のファイバーにおける低損失伝送を可能にする。
• ビームスプリッターにおける二光子干渉を用いて、実地に設置された22 kmのファイバーを介した原子-原子もつれの検証と確立を行う。
• 連結型位相ロック方式を用いて、50 kmのコiledファイバーを介した光子間の相対位相を安定化させ、二つの原子アンサンブルのもつれを可能にする単一光子干渉を実現する。
• 原子アンサンブルを量子メモリとして用い、光子のもつれをコherentかつスケーラブルな方法で記録・再生する。
• 周波数変換と位相安定化技術を統合し、実際のファイバー環境において長距離にわたり量子コherenceを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子周波数変換と二光子干渉を用いて、実地に設置された22 kmの光ファイバーを介した原子-原子もつれは達成可能か？
• RQ2 連結型位相ロック方式を用いて、50 kmのコイル状ファイバーを介した単一光子干渉を安定化させ、二つの原子アンサンブルのもつれを実現可能か？
• RQ3 量子周波数変換は、通常の通信ファイバーを介した遠隔量子メモリ間の光子リンクにおける低損失伝送を可能にするか？
• RQ4 実際の部品を用いた実際のファイバーインfra構造において、スケーラブルで長距離のもつれを原子量子メモリ間で達成することは可能か？

主な発見

• 著者らは、二光子干渉と量子周波数変換を用いて、実地に設置された22 kmの光ファイバーを介した原子-原子もつれを成功裏に実証した。
• 連結型位相ロック方式により、50 kmのコイル状ファイバーを介した安定した単一光子干渉が可能となり、二つの原子アンサンブルのもつれが達成された。
• 量子周波数変換により、光子波長が795 nmから1550 nmにシフトされ、通常の通信ファイバーにおける低損失伝送が可能になった。
• キャビティ強化された原子光子もつれの使用により、光子リンクの可視度と忠実度が顕著に向上した。
• 都市域スケールの距離において、伝送損失と環境ノイズの影響にもかかわらず、高い忠実度のもつれが維持された。
• 結果は、都市域スケールで機能する原子量子ネットワークの完全なアーキテクチャを検証した。さらに、より長い距離やマルチノードのスケーラビリティへの明確な道筋が示された。