[论文解读] A multinode quantum network over a metropolitan area

Jianlong Liu, Xi-Yu Luo+18 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种基于掺杂稀土元素晶体的城域规模多节点量子网络，实现了通过100公里光纤在三个节点间分发量子纠缠。通过稳定激光相位并最小化退相干效应，系统在两节点纠缠中实现了0.89的可见度，验证了具备高保真度态传输与长相干量子存储的可扩展量子网络。

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.

研究动机与目标

• 在城市规模的光纤网络中，利用固态量子存储器建立可运行的多节点量子网络。
• 克服光纤链路中长距离量子态传输的退相干与相位不稳定问题。
• 在三个节点间实现高保真度的纠缠分发，具备稳定的相位锁定与低噪声特性。
• 量化并减轻影响真实世界量子网络中纠缠可见度的实验缺陷。

提出的方法

• 采用掺杂稀土元素的晶体（如Pr:YSGG）作为量子存储器，具备长相干时间与高存储效率。
• 使用锁定至超稳定腔体且彼此相位锁定的相位稳定激光器，以最小化激光引起的相位噪声。
• 实施本地干涉仪的主动相位锁定，以减少环境振动引起的相位漂移。
• 在6.8 GHz频率下测量激光拍频信号，下变频至基带，并使用500 MHz带宽示波器记录，以估算相位不稳定性。
• 通过存储时间内的相位变化标准差（SD），将原子存储器、干涉仪和激光器的贡献进行平方和开方，计算总相位不稳定性。
• 综合相位不稳定性、模式失配、高阶激发与读出光子不平衡等因素，估算理论可见度（V_theory），并与实验结果（V_exp）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在城市规模的光纤网络中，利用固态量子存储器可靠地建立多节点量子网络？
• RQ2 在真实世界量子网络中，限制纠缠可见度的主要相位不稳定性来源是什么？
• RQ3 实验缺陷（如高阶激发、模式失配和激光噪声）如何共同影响纠缠可见度？
• RQ4 激光器、干涉仪和存储器引起的相位不稳定性在多大程度上降低了分发纠缠的保真度？
• RQ5 为何实验可见度低于理论预测？哪些未被捕捉的缺陷可能解释这一差异？

主要发现

• 在5 μs存储时间下，节点A与B之间的纠缠可见度达到0.89，107 μs时为0.88，表明实现了高保真度的态传输。
• 激光引起的相位不稳定性在5 μs时为0.14–0.31 rad，107 μs时为0.20–0.33 rad，其中节点B表现出显著更高的激光噪声。
• A-B连接在5 μs时的理论可见度（V_theory）为0.753 ± 0.026，但实验可见度（V_exp）仅为0.64 ± 0.05，表明存在未被计入的缺陷。
• B-C连接的可见度最低（0.51 ± 0.05），主要由于更高的传输损耗和节点B处更大的激光相位噪声。
• 高阶激发与模式失配被确定为可见度退化的主因，而读出光子不平衡的影响可忽略不计。
• V_theory与V_exp之间的差异表明存在额外的噪声源，例如缓慢的激光强度漂移可能随时间影响相位锁定点。