Quantum repeater segment with free-space coupled co-trapped ions using telecom photon interference

本文展示了一个使用共捕获自由空间耦合 $^{40}\text{Ca}^+$ 离子的量子中继器段，其中经过电信波长转换的光子在 440 米的光纤传输后发生干涉，从而产生了保真度超过 68% 的纠缠贝尔态，验证了陷阱离子作为量子网络极具前景的硬件平台。

要点

想象一下，你想要在极远的距离间发送一条秘密且不可破解的信息。在量子物理的世界里，这种“信息”是一种被称为纠缠的特殊连接——在这种状态下，两个粒子变得紧密相连，无论它们相隔多远，其中一个发生的变化都会瞬间影响到另一个。

然而，这里有一个问题：通过光纤（互联网的物理线路）发送这些脆弱的量子连接，就像是在飓风中试图传递一个肥皂泡。信号会在大约100公里后丢失或崩溃。为了解决这个问题，科学家们使用了量子中继器。请不要将量子中继器仅仅视为一个设备，而应将其视为一支接力赛队伍。你需要一系列的“站点”（分段），由这些站点去捕捉肥皂泡、保护它，然后将其传递给下一位跑者。

这篇论文描述了一次成功的中继站（即一个“分段”）测试。以下是他们是如何实现的，我们使用了简单的类比：

1. 参与者：两个俘获离子

研究人员使用了两个带电的微小原子，称为离子（具体为钙-40）。他们将这两个离子捕捉在磁性“笼子”（保罗阱）中，并让它们紧挨在一起。

• 类比： 想象两名舞者（离子）被锁在舞蹈室里。他们是用来保存这份秘密连接的“记忆”。

2. 使者：光子

为了将这两名舞者与外界联系起来，研究人员让他们以特定的方式“起舞”，从而导致他们各自吐出一个单一的光粒子（光子）。

• 问题： 这些光子的诞生波长（颜色）为854纳米。如果你尝试通过标准的互联网电缆发送它们，它们会几乎立即消失。
• 解决方案： 团队使用了一个特殊的“翻译”设备（量子频率转换器），将光的颜色从854纳米转换为1550纳米。
• 类比： 这就像是将一段只能在小房间里传播的语言，翻译成一种可以在大洋上航行而不丢失的通用语言。

3. 旅程：漫长的光纤之旅

一旦光被转换了颜色，他们就将这两个光子沿着两条独立的光纤路径发送出去。

• 距离： 每个光子在汇合前分别 traveled 了 220米（大约两个足球场长）。总共使用了 440米 的电缆。
• 汇合： 这两个光子在一个“贝尔态分析仪”处相遇。这是一个特殊的机器，用于检查两个光子是否为“双胞胎”（不可区分）。如果它们是双胞胎，这台机器就会施展一个魔术：它强迫两个遥远的舞者（离子）产生纠缠，即使它们从未接触过彼此。

4. 结果：成功的连接

研究人员证明了这个技巧是奏效的。

• 证明： 他们检查了两个离子之间的连接，发现它们确实处于纠缠态。
• 得分： 他们实现了 68% 的保真度。在量子物理领域，获得超过50%的数值就证明建立了一个真实的量子连接，而非随机噪声。达到68%是一个很高的分数，表明该系统是可靠的。

为什么这很重要（根据论文所述）

论文强调了这项实验至关重要的三个主要原因：

1. 它适用于真实的电缆： 通过将光转换为“电信级”颜色（1550纳米），他们证明了这项技术实际上可以利用构成互联网的现有光纤电缆。
2. 它具有鲁棒性： 他们使用了一种特定的方法（拉曼过程），这种方法对通常会破坏此类实验的振动和不稳定性不太敏感。
3. 它是一个构建模块： 这还不是一个完整的量子互联网。它仅仅是一个“分段”或“链路”。但就像你需要许多砖块才能筑起一面墙一样，你需要许多这样成功的分段，才能构建出一个能够连接远距离量子计算机的完整量子网络。

简而言之： 该团队成功地捕捉了两个离子，在将它们的消息（光子）翻译成易于传输的颜色后，通过440米的光纤发送，并证明了这些离子已经产生了联动。这是构建一个能够跨越城市和国家的未来量子互联网的关键一步。

技术摘要

技术摘要：基于自由空间耦合共捕获离子的量子中继器分段

问题与背景
实现用于通信或分布式计算的量子网络，需要通过飞行量子比特（光子）连接量子存储器（通常为原子或类原子系统）。由于光纤损耗的存在，量子中继器对于跨越长距离至关重要。量子中继器分段（QR segment）是此类网络的基本构建模块，它通过光子连接和贝尔测量将两个存储量子比特相连以产生纠缠。虽然目前正在探索多种平台（如量子点、色心、中性原子、陷俘离子），但实现一个能在电信波长下运行且具有高保真度的 QR 分段仍面临重大挑战。现有的实验通常在不适合高效频率转换的波长下运行，或者依赖于需要严格相位稳定性的单轨方案。此外，很少有实现方案能成功演示使用经过电信转换的光子在远距离存储器之间进行纠缠交换。

方法论
作者展示了一个使用线性保罗阱中两个共捕获 $^{40}\text{Ca}^+$ 离子的原理验证型 QR 分段实现。实验装置包含以下关键步骤：

1. 离子捕获与激发： 两个 $^{40}\text{Ca}^+$ 离子经过多普勒冷却并进行初始化。由 393 nm 激光脉冲组成的序列激发离子，触发拉曼过程并发射 85 4 nm 光子。选择这一特定的跃迁是为了反转以往钙实验中的激发方案，旨在获得更高的转换效率。
2. 光子收集与转换： 光子通过高数值孔径物镜在自由空间中被单独收集。随后，它们被耦合进单模光纤并送入量子频率转换器（QFC）。QFC 将光子从 854 nm 转换为电信 C 波段（1550 nm），平均效率为 52%。
3. 传输： 转换后的光子通过 440 米的光纤（每臂 220 米）传输至中央贝尔态分析仪。
4. 贝尔态测量 (BSM)： 光子在 50:50 光纤分束器上发生干涉。在不同输出端口检测到具有相反偏振（R/L 基矢）的光子，标志着两个离子被投影到了纠缠态。
5. 状态验证： 为了验证纠缠，离子的布居数被转移回基态，经过全局 RF 基矢旋转，并通过状态选择荧光进行读取。通过测量产生的两离子态的宇称（parity）来确认纠缠。

该系统采用了双轨偏振编码方案，该方案被指出对长距离传输中的相位不稳定具有鲁棒性，这与需要相位稳定性的单轨方案形成对比。

关键结果

• 光子不可分辨性： 通过测量 Hong–Ou–Mandel (HOM) 可见度来评估光子的不可分辨性。在低于 120 ns 的符合窗口内，实现了优于 $V(T) = 0.7$ 的可见度。
• 原子-光子纠缠： 通过 Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) 参数对单个原子-光子纠缠进行了表征，两个离子分别得到了 2.42(8) 和 2.49(9) 的值，证实了在交换前的纠缠生成。
• 纠缠交换： 实验成功演示了两个共捕获离子之间的纠缠交换。测得的宇称振荡振幅为 $A = 1.36(15)$，超过了 1.0 的经典阈值。
• 保真度： 基于宇称振幅，作者计算了生成的原子-原子态相对于理想 $|\Psi^+\rangle$ 贝尔态的保真度下界。确定的最小保真度为 $F_{\text{min}} = 68(8)\%$。该值高于演示两个粒子间纠缠所需的 50% 阈值。
• 速率： 生成被证实的 $|\Psi^+\rangle$ 事件的速率为每天 2.24 次，用于分析的总事件数为 31 个。若计入 $|\Psi^-\rangle$ 事件，总的纠缠存储生成速率增加到每天 4.7 次。

意义与主张
论文声称，该实验强调了单离子平台对于未来量子中继器辅助网络的适用性。其显著性主要体现在以下方面：

• 电信兼容性： 成功将光子转换为 1550 nm 并通过 440 米光纤传输，证明了其与现有光纤基础设施及未来量子网络应用的兼容性。
• 鲁棒性： 使用双轨偏振方案提供了对相位不稳定的鲁棒性，这是长距离量子通信的关键要求。
• 可扩展性： 结果强调了使用相同的工具和操作来互连基于离子的量子处理器的潜力，这是通过光子互连扩展陷俘离子量子处理器的迈进之举。
• 异构网络： 该工作为混合 QR 分段提供了一条路径，即可能将陷俘离子与固态存储器（例如钻石中的色心）相结合，前提是能够解决光子量子比特兼容性和共同相互作用波长的问题。

作者总结道，尽管这是一个原理验证演示，但它验证了实现长距离可扩展量子通信所必需的组件——原子量子存储器、高效的电信转换以及鲁棒的纠缠交换。未来的工作旨在将这些分段与 QR 单元以及通过光学腔实现更高效率的离子-光子耦合相结合，以实现完整的量子中继链路。