研究背景
量子互聯網是一種基于量子力學原理的新型網絡，其節點可以存儲和處理量子信息，并通過共享糾纏態進行連接。這種網絡的建立將帶來諸如量子密碼學、分布式量子計算和增強感知等顛覆性應用。然而，要實現量子互聯網，必須克服許多挑戰。其中之一是建立起多節點的量子網絡，從實驗室規模擴展到大規模的城市區域。這需要克服光纖傳輸中的信號衰減和相位穩定性等問題，以及實現獨立的量子節點和可擴展的網絡架構。因此，科學家們進行了大量的研究工作，試圖解決這些挑戰。他們通過開展各種實驗，使用不同的物理平臺，如原子集合、單個原子、鉆石氮-空位中心等，成功地建立了相鄰節點之間的糾纏。然而，這些實驗通常局限于實驗室規模，并且在建立起多節點網絡方面仍存在一定的局限性。有鑒于此，中國科學技術大學潘建偉院士、包小輝、張強等人在“Nature”期刊上發表了題為“Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network”的最新論文。他們利用原子集合量子存儲器和光子服務器等設備，在合肥市建立了三個獨立的量子節點，同時設置了一個位于中心的服務器節點。通過光纖連接，這些節點可以進行經典和量子通信。在每個量子節點中，利用DLCZ協議生成了原子-光子糾纏，并通過QFC模塊降低了光子在光纖中的損耗。通過這種創新的架構和技術手段，研究人員成功地實現了遠距離量子節點之間的糾纏生成，并且超過了通信時間的糾纏存儲。此外，他們還實現了所有三個節點之間的遠程糾纏生成，并且可以同時執行這些操作。
研究內容
圖1展示了該研究的網絡布局和實驗設置。在圖中，a部分展示了一個廣闊復雜的量子網絡的設想架構，包括大都市區域網絡和城際節點之間的連接。研究人員在Hefei市的四個實驗室中建立了一個由三個量子節點（Alice、Bob和Charlie）和一個服務器節點組成的星形網絡。每個節點之間通過光纖連接，形成一個由量子節點和服務器節點構成的網絡。量子節點之間的距離在7.9到12.5公里之間。通過實驗，研究人員成功地建立了遠距離量子節點之間的糾纏，并實現了超過往返通信時間的糾纏存儲。他們還展示了網絡中所有三個節點之間的遠程糾纏生成，并且可以同時執行這些操作。因此，通過圖1展示的實驗結果，研究人員成功建立了一個大都市范圍內的多節點量子網絡，為量子互聯網的發展奠定了基礎，并為量子通信和量子信息處理領域的進一步研究提供了重要的參考和啟示。 為了解決量子網絡中的挑戰，研究人員開發了一種基于弱場遠程相位穩定方法的網絡架構，并進行了相應的實驗。圖2展示了弱場相位和頻率穩定的方案和實驗結果。在該圖中，研究者使用相位探測脈沖和光子計數來檢測量子節點之間的相位差Δφ，并立即進行補償。實驗結果表明，通過執行相位穩定化，可以獲得良好的相位相關性和穩定性。此外，他們還對激光器的頻率進行了校準，以避免頻率漂移對實驗結果的影響。這些技術的實施對于確保量子節點之間的糾纏生成和存儲至關重要。 在圖3中，研究人員驗證了在兩個遠程量子節點之間生成的糾纏。他們使用了一種基于弱場的方法，通過在兩個節點中生成弱的糾纏探測脈沖來驗證遠程糾纏的存在。實驗結果表明，他們成功地生成了遠程的Fock基礎糾纏，并將其轉換為極化最大糾纏（PME）狀態，這使得糾纏狀態可以用于量子通信協議。通過對密度矩陣和保真度的分析，研究人員驗證了糾纏的存在，并且證明了使用弱場方法進行糾纏驗證的有效性。研究者進行了下圖4的工作，以驗證網絡中的并發糾纏生成。他們的目標是在三個不同的鏈路上實現并發的量子糾纏。圖中分為兩個部分，a和b展示了通過改變Charlie節點的相位來測量Alice-Bob、Alice-Charlie和Bob-Charlie鏈路之間的相關性。他們觀察到了正弦振蕩的特征，這表明在不同鏈路之間存在糾纏關系。在c和d中，研究者進行了進一步的相關性測量，以確認通過不同鏈路生成的PME（極化最大糾纏）狀態的存在。這些測量結果表明，通過網絡實現了有效的并發糾纏生成，證明了該網絡架構的可行性。這對于量子通信和量子網絡的發展具有重要意義，為未來量子技術的應用提供了可靠的基礎。
總結展望
本文展示了一種都市區域糾纏量子網絡的實現，為構建更加可擴展和靈活的量子通信基礎設施提供了新的思路和方法。通過成功實現遠程糾纏的生成和存儲，以及在網絡內同時生成多個糾纏對的演示，本研究突破了糾纏量子網絡的技術挑戰，為未來量子通信和量子信息處理領域的發展指明了方向。首先，本研究通過采用單光子方案，提高了糾纏速率，并克服了傳統方案中的一些技術限制，如頻率漂移和光子數波動等。其次，遠程相位穩定化和弱場方法為網絡中的量子節點提供了高效的糾纏生成和驗證手段，為構建更大規模和更復雜拓撲結構的量子網絡奠定了基礎。此外，本文提出的技術方法還具有很強的通用性，可以適用于不同的物理平臺和量子系統，從而為量子通信和信息處理的實際應用提供了可行的解決方案。總之，本文通過實驗驗證了量子網絡中遠程糾纏的可行性，并提出了一系列解決技術挑戰的方法，為未來量子通信和信息處理技術的發展提供了重要參考和啟示。這將促進量子技術在信息安全、數據傳輸和計算等領域的廣泛應用，推動量子信息科學的進一步發展。 Liu, JL., Luo, XY., Yu, Y. et al. Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network. Nature 629, 579–585 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07308-0
