[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文通过结合腔增强原子-光子纠缠与量子频率转换，将光子波长扩展至通信波段，利用城市规模的光纤实现了两个量子存储器的远距离纠缠。通过两光子干涉实现了22公里的原子-原子纠缠，通过单光子干涉与串联相位锁定方案实现了50公里的原子集合体间纠缠，标志着迈向可扩展原子量子网络的关键一步。

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.

研究动机与目标

• 为克服以往远程纠缠在量子存储器中受限于约1公里范围的问题。
• 实现在实际部署的光纤中对原子量子存储器进行远距离纠缠。
• 基于原子集合体开发适用于城市规模的可扩展量子网络架构。
• 通过频率转换与相位稳定技术，解决长距离光纤传输中的光子损耗与退相干问题。

提出的方法

• 利用腔体增强技术在原子跃迁波长处生成亮度高、保真度高的原子-光子纠缠。
• 应用量子频率转换技术，将光子波长从原子跃迁波长（例如795 nm）移至通信波段（1550 nm），以实现在标准光纤中的低损耗传输。
• 在光束分离器处实施两光子干涉，以验证并建立22公里实地部署光纤上的原子-原子纠缠。
• 采用串联相位锁定方案，稳定50公里盘绕光纤中光子之间的相对相位，实现单光子干涉，从而纠缠两个原子集合体。
• 利用原子集合体作为量子存储器，以相干且可扩展的方式存储和读取光子纠缠。
• 集成频率转换与相位稳定技术，以在真实光纤环境中保持长距离的量子相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光子频率转换与两光子干涉，在22公里实地部署的光纤上实现原子-原子纠缠？
• RQ2 能否通过串联相位锁定方案，在50公里盘绕光纤上稳定单光子干涉，以纠缠两个原子集合体？
• RQ3 量子频率转换是否能够实现在标准通信光纤中远程量子存储器之间光子链路的低损耗传输？
• RQ4 在真实光纤基础设施中使用实际组件，是否可行实现原子量子存储器之间可扩展的远距离纠缠？

主要发现

• 作者成功通过两光子干涉与量子频率转换，在22公里实地部署的光纤上实现了原子-原子纠缠。
• 串联相位锁定方案实现了50公里盘绕光纤上稳定的单光子干涉，成功实现了两个原子集合体之间的纠缠。
• 量子频率转换将光子波长从795 nm移至1550 nm，实现了在标准通信光纤中的低损耗传输。
• 采用腔增强的原子-光子纠缠显著提高了光子链路的可见度与保真度。
• 尽管在城市规模距离上传播中存在损耗与环境噪声，系统仍保持了高保真度的纠缠。
• 结果验证了城市规模原子量子网络的全功能架构，为实现更远距离与多节点可扩展性提供了明确路径。