[论文解读] An elementary 158 km long quantum network connecting room temperature quantum memories

Dounan Du, Paul Stankus+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 26被引用 3

一句话总结

该论文首次实现了通过标准光纤在158公里距离上连接两个室温量子存储器的长距离量子网络，在单光子水平下实现了Hong-Ou-Mandel干涉可见度为(38±2)%。实验验证了电信波段光子的不可区分性以及在城市规模距离上基于存储器的纠缠分发，这是迈向可扩展量子互联网的关键一步。

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.

研究动机与目标

• 实现利用室温量子存储器与电信光子接口的长距离量子通信。
• 克服在158公里标准光纤中保持光子不可区分性的挑战。
• 在城市规模距离上，实现来自独立量子存储器的光子之间的量子干涉。
• 验证基于存储器的纠缠分发在未来的量子中继网络中的可行性。
• 建立基于量子存储器和光纤链路的城际量子网络原型。

提出的方法

• 采用两个独立的室温稀土掺杂晶体作为量子存储器，用于存储和读取电信波段光子。
• 通过非线性光纤中的自发四波混频产生纠缠光子对，其中一个光子被存储在每个存储器中。
• 将另一个光子通过158公里标准单模光纤传输至远端接收器以进行干涉测量。
• 在长距离传输后，对来自两个独立存储器的两个光子进行Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。
• 通过测量干涉可见度来评估光子在传输后的不可区分性和相干性。
• 使用单光子水平输入以模拟真实的量子网络条件，并最小化多光子噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在相距158公里、通过标准光纤连接的两个独立室温量子存储器之间，生成并实现不可区分的电信光子干涉？
• RQ2 在远程量子存储器的光子经长距离传输后，Hong-Ou-Mandel干涉的可见度是多少？
• RQ3 室温下的量子存储器能否维持长距离量子网络运行所必需的相干性和光子不可区分性？
• RQ4 光纤传输在多大程度上会降低基于存储器的网络中量子干涉的质量？
• RQ5 是否可行利用室温存储器和标准电信光纤构建可扩展的量子网络？

主要发现

• 实验在经过158公里光纤传输后，实现了(38±2)%的Hong-Ou-Mandel干涉可见度，证明了长距离下光子的不可区分性。
• 可见度在单光子水平下测得，证实了该量子干涉在真实网络条件下的鲁棒性。
• 结果验证了室温稀土掺杂晶体作为长距离量子网络中可行量子存储器的适用性。
• 来自独立存储器的光子成功实现干涉，证实了在城市规模距离上基于存储器的纠缠分发的可行性。
• 该系统展示了首个基于量子存储器和标准电信光纤的长距离量子网络原型。