✨ 要点🔬 技术摘要
想象一下，互联网就像一条繁忙的巨型高速公路，信息以光速在其中穿梭。现在，想象一下尝试为一种完全全新的交通类型——“量子”信息——建造一条超级高速公路。这不仅仅是关于更快地发送电子邮件，而是关于创建一个从根本上无法被破解、并能解决那些即使是今天的超级计算机也需要数百万年才能解决的问题的网络。为了实现这一目标，科学家们正试图建造“量子中继器”。把它们想象成长途旅行中的休息站。因为量子信号极其脆弱，它们在消失或丢失之前无法走得太远。中继器会捕捉信号，将其安全存储，然后将其发送到下一站。但棘手之处在于：信号移动得太快了，以至于当中继器还在想办法如何存储它时，信号已经飞速掠过了。为了解决这个问题，中继器需要能够同时捕捉“许多”信号，就像一个可以捞起一整群鱼而不是单条鱼的网一样。这被称为“多路复用”（multiplexing），它是打造一个真正运行中的量子互联网所需的秘密武器。
在这项令人兴奋的新研究中，一支来自瑞士和芬兰的研究团队构建了一个这种高科技休息站的原型，并在现实世界中进行了测试。他们创建了一种由掺杂了稀土离子（具体为镱-171）的晶体制成的特殊“量子存储器”。你可以将这种晶体想象成一块神奇的海绵，它可以吸收光粒子（光子），并在其吐回出来之前将它们保持一小会儿。该团队不仅仅存储了一个光子；他们成功地同时存储了数千个光子，有效地将单车道道路变成了宽阔的多车道超级高速公路。
研究人员以两种方式设置了实验。首先，在实验室里，他们让一个光子通过一段长长的光纤电缆（25.3公里），并将它的伙伴光子存储在他们的晶体存储器中。他们证明了这两个光子在存储之后仍然保持着“纠缠”状态——这是一种奇特的量子连接，无论距离多远，它们都共享着彼此的命运。但真正的奇迹发生在他们将这套装置从实验室带到日内瓦市区时。他们利用城市现有的光纤网络，将他们的量子存储器与另一栋大学建筑中的探测器连接起来，中间跨越了5.66公里的距离。
结果令人印象深刻。在实验室中，他们成功地同时存储并检索了16,340个不同的“时间槽”（或模式）。当他们转移到城市网络时，他们仍然设法在63微秒内存储了惊人的8,235个模式。为了让你有直观的概念，之前的实验只能存储几十个或几百个模式。通过使用一种叫做“施密特分解”（Schmidt decomposition）的数学工具，该团队展示了他们的存储器在同时处理如此海量数据方面效率极高。他们还证实了纠缠在穿越城市电缆的过程中得以幸存，证明了这项技术可以在受控实验室环境之外工作。
虽然这还不是一个功能完备的量子互联网，但这是一个巨大的飞跃。论文指出，通过使用这种特定类型的晶体和存储技术，我们可以克服量子网络中最大的瓶颈：由光速传播时间引起的速率限制。研究人员指出，虽然目前的系统已经有了巨大的进步，但仍有提升空间。他们提到，存储器的“保持时间”有望从微秒级延长到毫秒级，且效率还可以进一步提高。不过目前来看，他们已经证明了构建一个能够同时捕捉、持有并释放数千个量子信号的量子中继器节点是可能的，这为未来量子通信不再仅仅是一个梦想，而是成为运行在我们城市光纤电缆之下的现实铺平了道路。
技术摘要：在城市网络中实现超过 8000 个模式的纠缠分发与量子存储
问题陈述
方法论
量子存储器： 核心组件是掺杂了 2 ppm 171 Yb 3 + ^{171}\text{Yb}^{3+} 171 Yb 3 + 171 Yb 3 + : Y 2 SiO 5 ^{171}\text{Yb}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5 171 Yb 3 + : Y 2 SiO 5 Δ \Delta Δ 1 / Δ 1/\Delta 1/Δ 171 Yb 3 + ^{171}\text{Yb}^{3+} 171 Yb 3 + 光子源： 基于周期性极化铌酸锂（PPLN）波导中的自发参量下转换（SPDC）过程产生的纠缠光子对源。一个 600 nm 的泵浦光产生 979 nm（信号光）和 1553 nm（闲子光，电信 C 波段）的光子对。带宽匹配： 1553 nm 闲子光通过一个 90 MHz 的法布里-珀罗（Fabry-Pérot）腔和一个 75 GHz 的密集波分复用（DWDM）滤波器进行滤波。979 nm 信号光则通过一个 20 GHz 的体布拉格光栅（VBG）以及 250 MHz 的 AFC 存储器本身进行滤波。实验序列： 该协议包括准备阶段（自旋极化和 AFC 烧制）和测量阶段。SPDC 泵浦持续时间与存储时间相匹配（T p u m p = 1 / Δ T_{pump} = 1/\Delta T p u m p = 1/Δ 多模分析： 有效时间模式容量通过两光子态的联合时间振幅（JTA）的施密特分解（Schmidt decomposition）进行量化。作者利用测得的交叉相关函数 g s i ( 2 ) ( τ s i ) g^{(2)}_{si}(\tau_{si}) g s i ( 2 ) ( τ s i ) N N N 纠缠验证： 使用 Franson 型干涉仪装置验证能量-时间纠缠。电信光子通过一个相位稳定的光纤迈克尔逊（Michelson）干涉仪，而 979 nm 光子则使用双 AFC 方案进行分析。通过执行 Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) Bell 测试来观测纠缠现象。
主要贡献
高容量存储： 展示了在记录数量的模式下的量子存储。该系统在实验室环境下，对于 125 µs 的存储时间，实现了 16,340 个时间模式 的存储。定量指标： 引入并验证了一种利用施密特分解量化有效时间模式容量的方法，具体是通过基于实验交叉相关数据计算出的下界（N N N 现场部署： 在日内瓦城市网络内的 5.66 km 标准单模光纤链路中成功实现了纠缠分发。在此现场测试中，系统在 63 µs 内存储了 8,235 个模式 。性能表征： 对存储器效率进行了详细表征，其效率随特征存储时间 76.6 ± 11.0 76.6 \pm 11.0 76.6 ± 11.0 307 ± 44 307 \pm 44 307 ± 44
结果
实验室光纤卷： 成功在 0.5 km 至 25.3 km 的不同光纤长度下实现了纠缠的分发与存储。CHSH 参数 S S S S ≤ 2 S \le 2 S ≤ 2 到 到 到 城市网络： 在连接两栋大学建筑（直线距离 2.15 km，光纤长度 5.66 km）的现场测试中，系统在 32 µs 存储时间（4,183 个模式）下实现了 S = 2.65 ± 0.04 S = 2.65 \pm 0.04 S = 2.65 ± 0.04 S = 2.67 ± 0.04 S = 2.67 \pm 0.04 S = 2.67 ± 0.04 效率与速率： 短存储时间下的存储器效率测量为 ( 19 ± 1 ) % (19 \pm 1)\% ( 19 ± 1 ) % g ˉ s i ( 2 ) \bar{g}^{(2)}_{si} g ˉ s i ( 2 )
意义与主张
作者谦虚地指出，虽然施密特模式数为简化模型提供了理论上的加速因子，但实际在完整的中继器方案中的加速取决于包括泵浦功率和探测窗口在内的其他参数。他们将未来的工作确定为将存储时间延长至毫秒量级（通过自旋波 AFC）并提高效率，这是基于该平台构建全规模量子中继器所必需的。这项工作突出了 171 Yb 3 + : Y 2 SiO 5 ^{171}\text{Yb}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5 171 Yb 3 + : Y 2 SiO 5
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