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纠缠存储时间增加1000倍！量子互联网迈向实质性的一步

光子盒研究院 光子盒 2023-03-04
收录于合集 #科技进展 652个


光子盒研究院出品

一组相互连接的量子中心（quantum hubs）将为量子技术的下一代应用开辟道路：从安全通信到分布式量子计算。实现这些量子网络的基本要素是光和物质间相互纠缠，然后利用量子中继器架构进行长距离分发。但是，在保真度、通信速率和距离方面的要求对量子存储器的物理实现提出了严苛条件。


近日，来自ICFO（西班牙）、IFN-CNR（意大利）和赫瑞-瓦特大学（英国）的研究团队已经证明了光纤集成量子存储器和电信波长光子之间的纠缠。研究人员展示了比迄今为止使用的任何其他光纤集成设备长1000倍(三个数量级)的纠缠存储时间，向使用集成器件的量子网络迈出了实质性的一步。


7月11日，该研究成果以《光纤集成系统中光物质纠缠的存储和分析》为题[1]发表在《科学进展》杂志上。


研究人员在ICFO的实验室里。从左到右：Samuele Grandi、Dario Lago、Jelena Rakonjac、Alessandro Seri和Hugues de Riedmatten。



ICFO(西班牙光子科学研究所)表示，量子存储器是未来量子互联网的基石之一[2]：“没有它，就不可能远距离传输量子信息并扩展到真正的量子网络。”这种存储器的功能是接收并存储以量子形式编码的量子信息，然后再对其进行检索。


同时，存储器必须满足几个要求：例如，存储能力的高效、持续时间和多路复用，这样可以确保相应量子通信的质量；另一类要求是设计可以直接集成到光纤网络的量子存储器。这种完全集成的要求带来了物理和工程挑战：


  • 找到一种保持良好相干特性的解决方案；
  • 提供一个高效稳定的系统将光子从光纤传输到量子存储器；
  • 控制系统及其与入射光接口的小型化。


为了实现这些严苛目标，ICFO、IFN-CNR(意大利国家研究委员会光电子与纳米技术研究院)和赫瑞-瓦特大学合作，证明了光纤集成量子存储器和电信波长光子之间的纠缠。


ICFO的光纤集成量子存储器


实验中，该团队提出了一个光纤集成的固态系统，用于电信兼容的光-物质纠缠存储。具体的解决方案是，在掺有镨（Pr）离子的Y2SiO5晶体激光中写入波导——该波导直接耦合并永久连接（尾纤）到单模光纤。


这一波导模式与光纤模式兼容，提供了与集成设备和存储光学模式的有效和实用耦合，有力减少了光学装置的对准需要。


实验装置。(A)光纤波导实物照片。亮线是Pr离子的荧光，由耦合到波导的607纳米的光激发。(B)装置的示意图。纠缠的光子对在一个空腔增强的自发参量转换（SPDC）源中产生。泵浦光和信号光的差频（idler）和信号被一个分色镜（DM）分开，后者被耦合到单模光纤上，该光纤直接被粘在放置在低温箱内的Pr3+：Y2SiO5晶体的波导上。存储器中准备了一个不同存储时间的原子频率梳（AFC）。纠缠状态使用两个基于光纤的非平衡Mach-Zehnder干涉仪进行分析，其中一个用于信号光子直接与波导相连。SPD：单光子探测器。信号光子是用硅光电二极管探测的，而超导探测器则用于探测闲置光子。(C)Pr3+：Y2SiO5的水平方案。


通过这种新装置，他们能够存储从2μs到28μs的光子，并在存储后保持光子对的纠缠。研究结果证实，在光纤耦合集成存储器中预先存储高达10μs后，SPDC工艺产生的纠缠得以维持。


与以前实现的光纤集成量子存储器相比，这一存储时间增加了三个数量级即1000倍，在效率方面至少提高了20倍，并且保真度相当。


纠缠状态断层扫描。（A）输入状态的重构密度矩阵，其中信号光子通过存储器晶体中的透明窗口。在30分钟（B和C）密度矩阵中采集数据，用于检索到的AFC回波，存储时间分别为3和10μs，数据采集分别在120分钟和130分钟内完成。



此次实验中，团队展示了一种基于激光写入波导的光纤集成量子存储器。


集成的光纤耦合量子存储器可以直接与几个光纤组件（例如光纤阵列或超导探测器）连接，它们可以包含在同一个低温恒温器中，而无需自由空间光学访问；此外，与其他类型的波导相比，新的器件可以与更复杂的光学电路兼容，允许信号路由和滤波；最后，Pr中的自旋波存储为超长存储时间开辟了道路。因此，此次实验系统实现了多模态性、光纤兼容性和可扩展性，包括量子中继器构建块的基本要求。


研究员Hugues de Riedmatten表示：“我们对这一结果感到兴奋，它为光纤集成存储器开辟了许多可能性。这种特殊的材料和产生波导的方式使我们能够实现接近大量存储的性能。将来，将存储扩展到Pr自旋状态将允许按需检索存储光子，并实现长存储时间。这种光纤集成的量子存储器无疑为量子网络的未来应用带来了巨大希望。”


参考链接：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3919
[2]https://optics.org/news/13/7/9

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