[论文解读] Topical White Paper: A Case for Quantum Memories in Space

Mustafa Gündoğan, Thomas Jennewein+21 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Distributed systems and fault tolerance被引用 11

一句话总结

本白皮书主张将量子存储器（QMs）部署于空间，以实现真正意义上的全球量子网络，突破地面限制。通过在长距离（如地月链路）上存储并同步纠缠光子，QMs 可实现确定性量子隐形传态和长基线贝尔实验，其在实验室中已实现超过70%的效率和200毫秒的存储时间。

ABSTRACT

It has recently been theoretically shown that Quantum Memories (QM) could enable truly global quantum networking when deployed in space thereby surpassing the limited range of land-based quantum repeaters. Furthermore, QM in space could enable novel protocols and long-range entanglement and teleportation applications suitable for Deep-Space links and extended scenarios for fundamental physics tests. In this white paper we will make the case for the importance of deploying QMs to space, and also discuss the major technical milestones and development stages that will need to be considered.

研究动机与目标

• 建立在空间部署量子存储器的科学与技术依据。
• 解决地面量子中继器和光纤延迟线在远距离量子通信中的局限性。
• 实现新型量子协议，如确定性隐形传态和具有空间分离特性的长基线贝尔实验。
• 确定实现运行中空间量子存储器所需的关键技术里程碑。
• 支持未来深空与全球量子网络的量子基础设施发展。

提出的方法

• 提出利用量子存储器在星际距离上存储并同步纠缠光子态。
• 利用高保真度纠缠光子源和纠缠交换技术，将量子网络覆盖范围扩展至地面限制之外。
• 利用量子存储器引入可调时间延迟（长达数秒），这对于在贝尔实验中关闭局域性与自由选择漏洞至关重要。
• 分析保真度（>95%）、效率（>70%）和存储时间（>200 ms）等性能指标，将其作为空间部署的关键基准。
• 对比光纤延迟线（>1 ms 延迟时损耗超过5600 dB）与量子存储器解决方案，证明其在远距离应用中的优越性。
• 建立将QMs集成至基于卫星的量子网络的模型，以实现全球规模的纠缠分发与隐形传态。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间中的量子存储器能否实现超越地面中继器范围的真正全球量子网络？
• RQ2 为实现在地月距离上的确定性隐形传态，量子存储器所需的性能阈值（保真度、效率、存储时间）是什么？
• RQ3 如何利用基于空间的平台，通过量子存储器关闭长基线贝尔实验中的局域性与自由选择漏洞？
• RQ4 部署空间量子存储器面临的关键技术挑战与主要发展里程碑是什么？
• RQ5 在深空量子链路中，空间量子存储器与光纤延迟线在损耗与可扩展性方面有何比较优势？

主要发现

• 已在实验室中实现效率超过70%、存储时间约200毫秒的量子存储器，满足空间应用需求。
• 光纤延迟线在>1 ms 延迟时损耗超过5600 dB，使其在远距离量子实验中不切实际。
• 基于空间的量子存储器可实现在地月距离上的确定性隐形传态（往返时间1.3秒），无需后选择。
• 量子存储器可在长基线贝尔实验中引入可调时间延迟，这对关闭空间分离测量中的局域性漏洞至关重要。
• 将QMs部署于低地球轨道（LEO）卫星中，可实现大陆及星际距离上的纠缠交换。
• 将QMs集成至量子网络可支持对量子引力和基础物理的新测试，包括引力诱导的态坍缩。