世界紀錄的糾纏存儲為量子網際網路聯盟樹立了裡程碑

2020-10-30 工程學習

量子網際網路聯盟財團是歐盟量子旗艦項目第一階段資金的一部分。來源： QuTech-Delft

巴黎索邦大學的研究人員實現了量子糾纏在兩個量子存儲器器中高效轉移。這一成就為未來量子網際網路的可擴展性帶來了關鍵要素。

連接多個位置的量子網際網路是全球量子技術路線圖的關鍵一步。在這方面，歐洲量子旗艦計劃於2018年啟動了量子網際網路聯盟。這個由史蒂芬妮·韋納（QuTech-Delft）協調的財團由來自8個歐洲國家的12個大學領先研究小組組成，與20多家公司和研究所密切合作。他們結合自己的資源和專業領域，為未來量子網際網路和所需技術的藍圖。

量子網際網路使用一個有趣的量子現象將網絡中不同的節點連接在一起。在正常的網絡連接中，節點通過來回發送電子或光子來交換信息，使它們容易受到竊聽。在量子網絡中，節點通過糾纏連接起來，這是愛因斯坦著名的"遠處的怪異動作"。這些遠距離的非經典相關性不僅允許直接傳輸以外的安全通信，而且允許分布式量子計算或增強傳感。

然而，構建大規模量子網絡的一個主要挑戰是能夠在遠距離節點之間產生這種相關性。原則上，如果糾纏可靠地存儲在量子存儲器中，這一挑戰是可以克服的。通過將長距離拆分為幾個較短的段，可以在這些基本鏈路的末端之間創建糾纏，然後連接它們，直到兩個初始節點糾纏。量子存儲器器件存儲糾纏，確保在執行連接之前在所有段上創建糾纏。該協議稱為量子中繼器。

關鍵參數是量子存儲器器件的效率：如果一個設備在記錄或檢索糾纏光時失敗，量子中繼器無法正常工作。例如，存儲和檢索效率從 60% 到 90% 的顯著減少糾纏分布在 600 公裡距離內的平均時間，通常為兩個數量級。QIA 聯合體的目標之一是通過構建使用不同物理平臺進行糾纏的高效內存器件，為量子中繼器技術奠定基礎。

在2020年10月的《Optica》在線刊上，朱利安·蘿拉特教授及其在卡斯特勒·布羅塞爾實驗室（索邦大學、CNRS、ENS-PSL大學、法國大學）的團隊報告了為這一努力邁出的期待已久的一步。他們演示了將糾纏光束存儲和回收到兩個量子存儲器中，總體效率高達 85%。與該領域以前的作品相比，這一值增加了三倍以上。

"這一成就是我們實驗室10年實驗發展的結果。現在，它為進一步研究開闢了道路，因為許多潛在的網絡架構都承擔了這種可擴展性的效率價值，"LKB 博士生、論文的主要作者之一 Félix Hoffet 說。

巴黎的實驗涉及一個非常拉長的雷射冷卻的原子組合，其基礎是稱為電磁誘導透明度的協議。控制雷射束使介質透明，並減慢攜帶信息的衝擊信號光。當信號包含在合奏中並關閉控制光束時，信息將轉換為原子的集體激發，直到控制光束再次打開。Laurat 的團隊首先生成了兩束纏繞的光束，然後按照此協議將它們映射到兩個記憶中。通過使用特定的原子轉換，並在每個記憶中達到非常大的吸收，研究人員能夠以前所未有的效率書寫和讀出糾纏，同時保持非常低的噪音汙染。

玻璃室中雷射冷卻的3釐米長的原子組合被用作量子存儲器。來源： LKB

"我們的記錄效率首先需要強有力的理論努力，以更好地了解我們之前實施中的限制因素，然後進行實驗性的探索，將所有必需的成分組合在一起，"前瑪麗居裡博士後研究員、論文另一位主要作者曹明濤補充道。亞歷山德拉·謝裡梅特，前瑪麗·居裡研究員，也是論文的作者，在模擬整個過程和考慮到這個原子系統中多個能量水平的複雜性方面發揮了關鍵作用。

《Optica》中報導的工作是進一步調查的墊腳石。然而，建設大規模網絡的道路仍然面臨挑戰。例如，高效的量子存儲器設備也需要有很長的存儲時間，才能比丟失更快地創建糾纏。此關鍵功能還可以同時存儲不同信息。QIA 財團正在從理論上和實驗上處理這些方面。例如，Laurat教授在巴黎的團隊正專注於開發"空間多路復用"記憶，這些記憶可以同時存儲多個狀態，以便並行化量子連接。

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