Entanglement distribution and quantum storage of more than 8000 modes over a metropolitan network

Sintesi Tecnica: Distribuzione di Entanglement e Archiviazione Quantistica di più di 8000 Modi in una Rete Metropolitana

Definizione del Problema
La realizzazione di ripetitori quantistici pratici basati su fibra è ostacolata dai limiti di velocità imposti dal tempo di propagazione dei fotoni nelle fibre ottiche (circa 5 µs/km). Quando una memoria quantistica può archiviare solo un singolo eccitazione (modo), il tasso di generazione dell'entanglement è severamente limitato. Per superare questo limite, è necessario il multiplexing per consentire molti tentativi di generazione di entanglement entro un singolo tempo di andata e ritorno. Sebbene le memorie quantistiche basate su ensemble offrano il potenziale per l'archiviazione multimodo nei domini temporale, di frequenza o spaziale, dimostrare l'archiviazione ad alta capacità dell'entanglement quantistico in un ambiente metropolitano rimane una sfida significativa.

Metodologia
Gli autori presentano un nodo di ripetitore quantistico che integra una memoria quantistica multimodo a banda larga con una sorgente di coppie di fotoni entangled.

• Memoria Quantistica: Il componente principale è un cristallo di $^{171}\text{Yb}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ drogato con 2 ppm di ioni, raffreddato a ~3 K. La memoria utilizza la tecnica dell'Atomic Frequency Comb (AFC), creando un profilo di assorbimento modulato a forma di pettine con una periodicità $\Delta$. Ciò consente di archiviare un fotone per una durata $1/\Delta$. Il sistema sfrutta gli stati iperfini elettrone-nucleari ibridi di $^{171}\text{Yb}^{3+}$, che forniscono tempi di coerenza ottica lunghi e grandi scissioni iperfini, abilitando una larghezza di banda di 250 MHz.
• Sorgente di Fotoni: Una sorgente di coppie di fotoni entangled basata sulla Conversione Parametrica Spontanea verso il Basso (SPDC) in una guida d'onda in niobato di litio periodicamente in polata (PPLN). Un pump a 600 nm genera coppie di fotoni a 979 nm (segnale) e 1553 nm (idler, banda C telecom) .
• Corrispondenza della Larghezza di Banda: L'idler a 1553 nm è filtrato da una cavità Fabry-Pérot da 90 MHz e da un filtro DWDM da 75 GHz. Il segnale a 979 nm è filtrato da un VBG (Volume Bragg Grating) da 20 GHz e dalla stessa memoria AFC da 250 MHz.
• Sequenza Sperimentale: Il protocollo prevede una fase di preparazione (polarizzazione dello spin e burning dell'AFC) seguita da una fase di misura. La durata del pump SPDC è accoppiata al tempo di archiviazione ($T_{pump} = 1/\Delta$) per massimizzare i modi temporali. Il fotone telecom si propaga attraverso bobine di fibra o una rete metropolitana, mentre il fotone a 979 nm viene archiviato e successivamente recuperato tramite l'eco AFC.
• Analisi Multimodo: La capacità effettiva dei modi temporali è quantificata utilizzando una decomposizione di Schmidt dell'Ampiezza Temporale Congiunta (JTA) dello stato a due fotoni. Gli autori utilizzano la funzione di cross-correlazione misurata $g^{(2)}_{si}(\tau_{si})$ per calcolare un limite inferiore per il numero di modi di Schmidt $N$.
• Verifica dell'Entanglement: L'entanglement tempo-energia è verificato utilizzando un setup interferometrico di tipo Franson. Il fotone telecom passa attraverso un interferometro di Michelson a fibra stabilizzato in fase, mentre il fotone a 979 nm è analizzato utilizzando uno schema a doppio AFC. Viene eseguito un test Bell di Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) per testimoniare l'entanglement.

Contributi Chiave

1. Archiviazione ad Alta Capacità: La dimostrazione dell'archiviazione quantistica attraverso un numero record di modi temporali. Il sistema ha raggiunto l'archiviazione di 16.340 modi temporali per un tempo di archiviazione di 125 µs in un ambiente di laboratorio.
2. Metrica Quantitativa: L'introduzione e la validazione di una misura quantitativa per la capacità effettiva dei modi temporali utilizzando la decomposizione di Schmidt, calcolando specificamente un limite inferiore ($N$) basato sui dati sperimentali di cross-correlazione.
3. Distribuzione sul Campo: Il successo della distribuzione dell'entanglement su un link di fibra single-mode standard di 5,66 km all'interno della rete metropolitana di Ginevra. In questo test sul campo, il sistema ha archiviato 8.235 modi per 63 µs.
4. Caratterizzazione delle Prestazioni: Caratterizzazione dettagliata dell'efficienza della memoria, che decade esponenzialmente con un tempo di memoria caratteristico di $76,6 \pm 11,0$ µs, corrispondente a un tempo di coerenza AFC efficace di $307 \pm 44$ µs.

Risultati

• Bobine di Fibra da Laboratorio: L'entanglement è stato distribuito e archiviato con successo su lunghezze di fibra comprese tra 0,5 km e 25,3 km. Il parametro CHSH $S$ ha violato l'ineguaglianza classica ($S \le 2$) per tutte le distanze, con valori compresi tra 2,65 e 2,73. Il numero di modi archiviati è scalato con il tempo di archiviazione, raggiungendo 16.340 modi a 125 µs.
• Rete Metropolitana: Nel test sul campo che collega due edifici universitari (distanza in linea d'aria di 2,15 km, 5,66 km di fibra), il sistema ha ottenuto $S = 2,65 \pm 0,04$ per 32 µs di archiviazione (4.183 modi) e $S = 2,67 \pm 0,04$ per 63 µs di archiviazione (8.235 modi).
• Efficienza e Tassi: L'efficienza della memoria a brevi tempi di archiviazione è stata misurata al $(19 \pm 1)\%$. Sebbene il tasso di rilevamento delle coincidenze sia diminuito con tempi di archiviazione più lunghi a causa del decadimento esponenziale, il sistema ha mantenuto alti valori di cross-correlazione ($\bar{g}^{(2)}_{si}$) e visibilità, indicando la preservazione della qualità dell'entanglement.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo afferma che questi esperimenti costituiscono "metà di un link di un ripetitore quantistico elementare", dimostrando la capacità critica di archiviare e recuperare l'entanglement in un regime multimodo su distanze realistiche. Gli autori sottolineano che l'alta capacità multimodo (fino a 16.340 modi) rappresenta un miglioramento di uno o due ordini di grandezza rispetto ai lavori precedenti, il che è essenziale per raggiungere tassi pratici di generazione di entanglement nei ripetitori quantistici.

Gli autori notano con modestia che, sebbene il numero di modi di Schmidt fornisca un fattore di accelerazione teorico per un modello semplificato, l'accelerazione reale in uno schema di ripetitore completo dipende da parametri aggiuntivi come la potenza del pump e le finestre di rilevamento. Identificano come lavoro futuro la necessità di estendere le durate di archiviazione al regime dei millisecondi (tramite AFC di spin-wave) e di migliorare l'efficienza, elementi necessari per un ripetitore quantistico completamente scalabile basato su questa piattaforma. Il lavoro evidenzia i vantaggi unici di $^{171}\text{Yb}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ nel combinare una grande larghezza di banda con lunghi tempi di coerenza ottica.