[论文解读] A long-distance quantum-capable internet testbed

Dounan Du, Leonardo Castillo-Veneros+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Quantum optics and atomic interactions被引用 8

一句话总结

本文展示了一个跨越158公里的长距离量子互联网测试平台，连接石溪大学与布鲁克黑文国家实验室，将软件定义网络与时间敏感网络技术结合，通过在室温下存储的量子记忆中实现电信频段转换的光子进行量子通信。关键成果是在城市间距离上实现了高可见度的Hong-Ou-Mandel干涉（可见度 > 0.5），验证了在远程独立量子记忆之间实现基本量子网络服务的可行性。

ABSTRACT

Building a Quantum Internet requires the development of innovative quantum-enabling networking architectures that integrate advanced communication systems with long-distance quantum communication hardware. Here, we present the implementation of a quantum-enabled internet prototype using a novel physics-centric stack-based quantum network paradigm to govern the dynamics of multiple light-matter Hamiltonians across distant nodes. We demonstrate this concept using a deployed large-scale intercity quantum network connecting laboratories at Stony Brook University and the Brookhaven National Laboratory. This network facilitates a fundamental long-distance quantum network service -that of high-visibility Hong-Ou-Mandel interference of telecom quantum states generated in two independent, telecom-compatible quantum light-matter interfaces separated by a distance of 158 km.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、长距离的量子网络测试平台，集成经典软件定义网络与量子通信技术。
• 实现在城市规模距离下，远程量子记忆之间高保真度的量子态传输与干涉。
• 验证混合量子互联网架构的可行性，该架构结合了经典控制层、量子使能层与量子层。
• 展示通过158公里商用暗光纤传输的电信频段光子在长距离下保持稳定的量子干涉（HOM）性能。
• 建立控制协议套件与API，支持用户自定义的量子网络操作。

提出的方法

• 在两所机构之间部署了158公里的量子网络，利用商用暗光纤，为量子信号与控制信号分别设置专用光路。
• 实现了室温下掺杂稀土元素的晶体量子记忆，并通过量子频率转换技术将铷原子共振的近红外光子转换至电信频段。
• 集成时间与偏振稳定系统，以在长距离传输过程中保持量子相干性。
• 设计了包含三层的混合网络架构：经典控制层、量子使能层（时间、相位、偏振控制）与量子层（记忆、探测、光子传输）。
• 开发了量子网络控制协议套件（QNCPS）与API，以支持量子网络服务的可编程执行。
• 使用同步的高斯脉冲列，并通过考虑脉冲间隔与相干时间的改进干涉模型分析HOM干涉。

实验结果

研究问题

• RQ1 在158公里光纤距离下，能否在来自独立、远程分离的量子记忆的光子之间实现高可见度的Hong-Ou-Mandel干涉？
• RQ2 如何有效集成软件定义网络与时间敏感网络原理，与长距离量子通信结合，以实现对量子网络服务的动态控制？
• RQ3 在使用电信频段转换光子的情况下，量子相干性与干涉可见度在城市间距离上能保持到何种程度？
• RQ4 脉冲间隔与光源相干时间对长距离量子网络中HOM干涉深谷的可见度与形状有何影响？
• RQ5 混合网络架构抽象能否支持在城市规模量子互联网测试平台中实现可靠、用户可编程的量子网络操作？

主要发现

• 成功在相距158公里的两个独立量子记忆之间实现了高可见度Hong-Ou-Mandel干涉（可见度 > 0.5）。
• 在光源线宽与脉冲间隔变化的多种条件下，HOM深谷依然保持稳定，证实了长距离下量子干涉的鲁棒性。
• 系统在158公里链路上维持了稳定的时间与偏振同步，实现了独立生成光子之间的相干干涉。
• 量子频率转换的使用实现了与现有电信基础设施的兼容，促进了长距离传输。
• QNCPS及其相关API成功支持了量子网络服务的可靠执行，包括频率转换与节点间光子干涉。
• 脉冲列的理论建模表明，当脉冲充分分离时，仅中心HOM峰表现出量子干涉，而峰外的脉冲对则源于经典强度关联。