Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks
本文通过在16个并行频率模式和3.0 GHz泵浦重复频率下实现高保真度纠缠交换，展示了用于长距离量子网络的零附加损耗复用（ZALM）的可扩展实验实现，其总交换速率为每秒5.38对，预计ZALM贝尔对速率为每秒820对。
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量子互联网的梦想预示着一个信息传输具有绝对安全性、且计算机能够解决目前无法实现的问题的未来。为了让这一愿景成为现实，科学家必须构建能够长距离传输被称为“纠缠对”的脆弱量子态，且不丢失其特殊连接的网络。最大的障碍在于，这些量子信号在通过光纤电缆传输时会逐渐衰减，就像在大厅里逐渐消失的低语一样。为了克服这一问题，研究人员正在开发被称为“量子中继器”的设备。这些中继器充当类似中继站的角色，捕捉衰减的信号，对其进行刷新，然后将其传递下去。然而，为了让中继器运行得足够快以发挥作用，它需要同时处理许多信号。一个主要的挑战在于如何处理这些信号，而不引入误差或丢失那些使其具有价值的宝贵信息。
一支研究团队现在通过展示一种创建和管理这些量子信号的新方法，在解决这一问题上迈出了重要一步。他们成功构建了一个能够同时在十六个不同的颜色通道中生成光粒子（称为光子）纠缠对的源。在实验中，他们成功地在十六个平行的光流之间交换了纠程，平均成功率达到了93.9%。这意味着这种脆弱的量子连接在所有通道中都得到了高精度的保持。通过将这种同时处理多种颜色的能力与每秒30亿次的极快脉冲频率相结合，他们实现了每秒5.38对的总生成率。在考虑到系统的效率后，这相当于每秒820对的潜在输出，这一数字代表了此类技术的一种新的性能水平。
他们成就的核心在于一种被称为“零损耗复用”的方法。想象一下，你试图在一个拥挤的房间里传递信息，但你一次只能说一个词；你会变得非常慢。复用就像是给了你自己十六种不同的声音同时说话，从而允许你在相同的时间内发送更多信息。在光的领域中，这些“声音”就是不同的颜色或频率。研究人员使用标准设备，特别是将光分离为间隔50吉赫兹通道的滤波器，来管理这十六个颜色流。他们仔细地塑造用于产生光粒子的激光脉冲，使得每个颜色通道都保持纯净且清晰，避免了尝试将这么多信号打包在一起时通常会发生的混乱。这种精密性使得他们能够执行一种复杂的运算，即“纠缠交换”——其中两个独立的粒子对被链接在一起，形成一个新的、更长的连接，同时保持十六个通道的并行运行。
为了确保系统正常工作，团队必须克服一个特定的计时挑战。由于他们发送脉冲的速度非常快，脉冲之间的间隔极其微小。如果用于捕捉粒子的探测器反应太慢或不够精确，它们就会将一个脉冲中的粒子与下一个脉冲中的粒子混淆，从而毁掉实验。研究人员使用了高度敏感的探测器，能够以39皮秒的精度区分粒子的到达时间。这种速度足以清晰地分离出每隔333皮秒到达一次的脉冲，确保量子信息保持洁净且未受损坏。结果显示，该系统中每个通道内的光粒子几乎彼此相同，这是纠缠交换得以成功的必要条件。
实验证实，这种方法不仅在理论上可行，而且在实践中也是可行的。研究人员测量了他们创造的纠缠对的质量，发现它们保持了高度的保真度，这意味着粒子保持在未来网络所需的精确量子态。他们还表明，通过使用标准的、商用现有的组件进行颜色分离，该技术具有可扩展性，并不依赖于奇异的定制机械。虽然目前的设置每秒仅产生几个对，但他们的计算机模拟表明，通过进一步的改进（例如使用更多的颜色通道并减少信号损耗），生成率可以提高几个数量级。这项工作为构建构建高速、长距离量子网络开辟了一条清晰的路径，而这些网络对于下一代安全通信和分布式计算至关重要。
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