heralded(量子中继器的纠缠量子存储器：离量子互

用作量子存储器的掺杂稀土晶体的特写图像。来源:ICFO

在90年代，工程师们在电信领域取得了重大进展，将网络扩展到城市和大都市区以外的距离。为了实现这种可扩展性，他们使用了中继器，中继器可以增强衰减的信号，并允许这些信号以相同的特征(如强度或保真度)传播更远的距离。现在，随着卫星的加入，在欧洲的一座山的中间和你生活在世界另一端的亲人聊天是完全正常的。

在构建未来量子互联网的道路上，量子记忆也扮演着同样的角色。它们和量子位元的来源一起，构成了这种新型互联网的组成部分，充当数据操作的量子中继器，并利用叠加和纠缠作为系统的关键成分。但要在量子水平上运行这样的系统，必须在长距离上创建量子存储器之间的纠缠，并尽可能高效地保持。

都在一起

在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，ICFO的科学家Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri和Jelena Rakonjac，在ICFO的Hugues de Riedmatten教授的带领下，已经在两个远程多模固态量子存储器之间实现了可伸缩的、电信预言的物质纠缠。简单地说，他们能够在相距10米的两个量子存储器中最多存储25微秒的单个光子。

这项研究的作者在ICFO的实验室中进行。从左到右:Samuele Grandi, Dario Lago, Jelena Rakonjac, Alessandro Seri和Hugues de Riedmatten。来源:ICFO

研究人员知道光子在两个记忆中的一个,但他们不知道哪一个,这强调反直觉的认为我们有自然的,这使得光子的量子叠加态的两个量子记忆,但令人惊讶的是,10米。该团队还知道，这种纠缠是通过探测电信波长的光子而产生的，它以多路复用的方式存储在量子存储器中，“这一特性类似于允许在经典信道中发送多条信息。”这两个关键特性实现，并为将该方案扩展到更长的距离奠定了基础。

Lago达里奥,士生在ICFO和这项研究的第一作者,热情地明确了“到目前为止,几个里程碑的实现在这个实验中是由其他群体,喜欢相互纠缠的量子记忆或实现存储的光子量子记忆具有很高的效率和高。，这项实验的独特之处在于，我们的技术取得了非常高的速度，并可以扩展到更长的距离。”

设置实验

实现这一里程碑需要付出努力和时间。在几个月的时间里，该团队设置了这个实验，他们使用掺杂稀土的晶体作为量子存储器作为他们测试的基础。

然后，他们选取了两个产生相关单光子对的源。在每对光子中，一个光子名为“idle”，波长为1436nm(通信波长)，另一个光子名为“signal”，波长为606nm。单个信号光子被发送到一个量子存储器，该存储器由数百万个随机放置在一个晶体内的原子组成，并通过一种称为原子频率梳的协议存储在那里。，空闲光子，也被称为预示光子或信使光子，通过光纤发送到一个叫做分束器的设备，在那里关于它们的起源和路径的信息被完全删除。Samuele大人物,士后研究员和co-first作者研究的评论,“我们抹去任何形式的功能,会告诉我们空转光子来自的地方,让它成为源1或2,我们这样做是因为我们不想知道任何信息的信号光子和量子存储器被存储在。”通过消除这些特征，信号光子可能被存储在任何一个量子存储器中，这意味着它们之间产生了纠缠。

实验装置示意图和实验室在ICFO大楼的位置。来源:ICFO

每当科学家们在监视器上看到一个无所事事的光子到达探测器时，他们就能够确认并证实确实存在纠缠。这种纠缠是由一个信号光子在两个量子存储器之间的叠加状态组成的，在那里它被存储为一个激发，由数千万个原子共享长达25微秒。

正如山姆和达里奥提到的，“这个实验的奇怪之处在于，不可能知道光子是存储在实验室1还是实验室2的量子存储器中，而实验室2在10多米之外。尽管这是我们实验的主要特点，也是我们所期望的，但实验结果仍然与我们的直觉相反，更奇怪和让我们震惊的是，我们能够控制它!”

预示光子的重要性

以前大多数实验纠缠和量子记忆的研究都使用先驱光子来了解量子记忆之间的纠缠是否成功。一个预示的光子就像一个信鸽，科学家可以在它到达时知道量子记忆之间的纠缠已经建立。当这种情况发生时，缠结尝试停止，缠结在被分析之前被存储在记忆中。

在这个实验中，科学家们使用了电信频率中的一个预示光子，证实了正在产生的纠缠可以用一个与现有电信网络兼容的光子来建立，这是一个重要的壮举，因为它允许在长距离上产生纠缠，甚至更重要的是，使这些量子技术易于集成到现有的经典网络基础设施中。

多路复用是关键

多路复用是指系统通过一个传输通道发送多个消息的能力。在传统的电信中，这是一种常用的工具，用于在互联网上传输数据。在量子中继器中，这种技术稍微复杂一些。在标准的量子记忆中，人们必须等到预示纠缠的信息回到记忆中，才能尝试创造纠缠。，通过使用允许这种多路复用方法的原子频率梳协议，研究人员能够在量子存储器中多次存储纠缠光子，而不必等待成功的预示事件产生下一个纠缠光子对。这种情况称为“时间多路复用”，是一个关键特征，代表了系统的操作时间的主要增加，导致最终纠缠率的增加。

未来的步骤

正如ICFO Hugues de Riedmatten的ICREA教授热情地说:“这个想法是10多年前构思出来的，我激动地看到它现在已经在实验室成功了。下一步是将实验带出实验室，尝试将不同的节点连接在一起，并在更大的距离上分布缠结，远远超过我们目前所拥有的。事实上，我们正在实现首条35公里的量子链路，该链路将在巴塞罗那和位于Castelldefels的ICFO之间完成。”

很明显，未来的量子网络将在不久的将来带来许多应用。这一里程碑式的成就证明和确认了我们正在正确的道路上发展这些颠覆性的技术，并开始部署它们将成为一种新的通信方式，量子互联网。

更多信息: Tele-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories, Nature (2021). DOI:
10.1038/s41586-021-03481-8 ,
.nature/articles/s41586-021-03481-8

期刊信息: Nature