[论文解读] Heralded entanglement between solid-state qubits separated by 3 meters

Hannes Bernien, Bas Hensen+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2012

Quantum Mechanics and Applications被引用 9

一句话总结

该论文展示了通过光子干涉协议，在相距3米的金刚石中两个电子自旋量子比特之间实现了预言式纠缠，该协议通过先创建自旋-光子纠缠，再利用光子干涉实现自旋纠缠。实验实现了|ψ⁻⟩贝尔态75%的保真度，标志着迈向具有长寿命量子存储和远程纠缠能力的可扩展固态量子网络的重要一步。

ABSTRACT

Quantum entanglement between spatially separated objects is one of the most intriguing phenomena in physics. The outcomes of independent measurements on entangled objects show correlations that cannot be explained by classical physics. Besides being of fundamental interest, entanglement is a unique resource for quantum information processing and communication. Entangled qubits can be used to establish private information or implement quantum logical gates. Such capabilities are particularly useful when the entangled qubits are spatially separated, opening the opportunity to create highly connected quantum networks or extend quantum cryptography to long distances. Here we present a key experiment towards the realization of long-distance quantum networks with solid-state quantum registers. We have entangled two electron spin qubits in diamond that are separated by a three-meter distance. We establish this entanglement using a robust protocol based on local creation of spin-photon entanglement and a subsequent joint measurement of the photons. Detection of the photons heralds the projection of the spin qubits onto an entangled state. We verify the resulting non-local quantum correlations by performing single-shot readout on the qubits in different bases. The long-distance entanglement reported here can be combined with recently achieved initialization, readout and entanglement operations on local long-lived nuclear spin registers, enabling deterministic long-distance teleportation, quantum repeaters and extended quantum networks.

研究动机与目标

• 通过可扩展的预言式协议，实现固态量子比特之间的远距离纠缠。
• 证明金刚石中的电子自旋量子比特可通过光子链路在宏观距离上实现纠缠。
• 将长寿命核自旋寄存器与远程自旋纠缠相结合，为未来量子网络奠定基础。
• 通过共振光学控制和基于反馈的稳定化，实现高保真度纠缠。
• 通过克服退相干和光子损耗，验证固态系统在量子网络中的可行性。

提出的方法

• 使用超纯金刚石中的两个氮-空位（NV）中心作为电子自旋量子比特，其量子态编码在ms = 0和ms = -1态。
• 通过芯片上的带状线施加微波脉冲，将每个量子比特制备在叠加态。
• 使用2 ns的共振激光脉冲，在每个NV中心的电子自旋与发射的光子之间产生纠缠。
• 将两个NV中心发出的光子在光纤耦合的分束器上重叠，并在输出端口进行探测，以执行贝尔态测量。
• 在每个输出端口各检测到一个光子，标志着两个远程电子自旋成功投影到贝尔态。
• 通过在多个基态下的单次自旋读出，确认了非局域量子关联，并实现了保真度估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光子链路，在相距3米的固态量子比特之间可靠地生成远程纠缠？
• RQ2 在金刚石中，远距离电子自旋之间的预言式纠缠最大可实现多高的保真度？
• RQ3 光子不可区分性与实验误差如何限制远程纠缠的保真度和成功概率？
• RQ4 长寿命核自旋寄存器能否与远程电子自旋相干连接，以实现量子存储与处理？
• RQ5 通过提升光子收集效率和降低退相干，成功概率与保真度能在多大程度上得到改善？

主要发现

• 实验实现了|ψ⁻⟩态75%的贝尔态保真度，|ψ⁺⟩态为64%，证明了非经典关联。
• NV自旋量子比特的相干时间超过14.3 ms，为目前报道的单个电子自旋在固体中记录的最长值。
• 纠缠协议的成功概率估计为10⁻⁷，平均约每10分钟发生一次纠缠事件。
• 光子不可区分性被确定为主要误差来源，尽管控制与读出保真度很高。
• 探测器的后脉冲效应扭曲了关联，尤其影响|ψ⁺⟩态，导致其保真度降低。
• 未来改进措施如光学腔、同素体纯化金刚石和更低温度，可显著提升光子不可区分性与保真度。