Trapped-ion-based quantum repeater node across a 17 km metropolitan fiber
本文展示了一个俘获离子量子中继节点，该节点在17公里的城市级光纤上成功建立了贝尔态保真度为81.6%的光子纠缠，证明了在现有城市规模基础设施上运行此类技术的可行性。
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全球量子互联网的梦想依赖于一个简单却困难的想法：在不丢失信息的前提下，将脆弱的量子信息传输到遥远的距离。在经典世界中，我们通过光纤发送光脉冲来传输数据，如果信号变得太弱，我们只需对其进行放大即可。但量子信息不同。它被编码在单个粒子的脆弱状态中，而物理定律禁止我们在不破坏这些状态的情况下对其进行复制或放大。为了构建一个跨越城市或大陆的网络，科学家必须使用一种称为“量子中继器”的不同策略。与其尝试将单个信号发送到全程，不如将网络分解成较短的分段。在每个站点，一个特殊的设备会在自身与其邻居之间建立一种“纠缠”——一种粒子之间深层且无形的连接。通过将这些分段连接起来，网络可以将这种连接延伸到整个距离。目前的挑战在于，如何利用现实世界的基础设施，而非仅仅在环境完美的受控实验室环境中，来建造这些中继站。
奥地利因斯布鲁克的一组研究人员现在向实现这一目标迈出了重要一步。他们利用俘获离子（由电场固定住的单个原子）构建了一个工作的量子中继节点，并将其连接到一条穿过实际城市的光纤电缆。实验涉及通过一段长达17公里的现有市政光纤发送量子信号，这段光纤蜿蜒穿过因斯布鲁克并进入郊区。这与以往的实验有显著不同，以往的实验通常使用保存在实验室内部的短线圈光纤。研究人员证明，他们的设备能够在城市中检测到的光子与实验室中检测到的另一个光子之间成功建立量子链路，证明了这项技术可以在脱离受控环境的安全保护后依然正常运行。
该设备的核心是一个包含两个钙离子的微型腔室。这些离子充当网络的存储器和处理器。研究人员使用激光操纵离子，使其发射单光子，即光粒子。其中一个光子通过短光纤被发送到本地探测器，而另一个则被转换为适合长距离传输的不同颜色的光，并通过17公里的城市电缆发送到远程探测器。该系统通过重复尝试发送光子的过程，直到远端成功检测到一个光子为止。一旦两个光子都被检测到，研究人员就会对实验室内的两个离子进行一次特定的测量。这种被称为“贝尔态测量”的测量，有效地交换了连接，在两个从未相遇的光子之间创造了直接的纠缠，其中一个光子曾穿越了城市。
结果显示，该系统的可靠性很高。团队测量了两个光子之间的连接质量，发现保真度为81.6%，这意味着尽管经历了城市电缆的旅程，量子态仍以高度精确的方式得以保留。这一性能水平证实了俘获离子技术足够强大，能够应对部署基础设施中的缺陷。研究人员还仔细分析了光纤本身，测量了光的偏振在传输过程中如何变化，以及来自路灯或其他光源的背景噪声有多少泄露到了电缆中。他们发现，虽然光纤确实引入了一些信号损耗和光方向的缓慢变化，但这些影响是可以管理和修正的。背景噪声被成功过滤掉，确保了他们检测到的信号确实来自他们的离子，而非外部干扰。
这项实验并不声称已经解决了全球量子网络的所有问题，但它证明了一个关键点：这项技术可以在混乱的现实世界中运行。研究人员指出，成功率主要受限于设备的效率和光纤连接中的损耗，而非该方法的任何根本性缺陷。他们观察到，即使由于距离导致了轻微的延迟，离子内部的存储器仍能保留足够长时间的量子信息以完成整个过程。该研究表明，随着进一步提高光子产生效率和过滤器质量，这些连接的速度可以显著提高。这项工作提供了一个具体的蓝图，展示了未来的量子网络如何利用现有的、已经纵横交错在城市中的庞大光纤网络进行构建，而不是需要一套全新的物理基础设施。
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