Experimental zero-added-loss multiplexing Bell-pair source for long-haul quantum networks
本文通过在16个频率模式和3.0 GHz时间槽上成功实现零附加损耗复用（ZALM），实现了无需额外窄带滤波的高保真纠缠交换，展示了一种可扩展、高速率的量子网络源。
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量子互联网的梦想是将计算机和传感器以一种本质上安全的方式连接起来，并能够解决任何普通机器都无法解决的问题。为了实现这一目标，科学家需要将被称为“量子态”的脆弱信息包在长距离传输中而不丢失其特殊属性。一个主要的障碍是这些信号极其脆弱；当它们通过光纤电缆传输时会逐渐衰减，而且如果你试图像增强普通无线电信号那样去增强它们，就会破坏它们所携带的信息本身。解决方案在于一种被称为“纠缠交换”的过程，它就像是量子信息的接力赛。想象两对相互关联的粒子：如果你将每对中的一个成员聚集在一起并进行特定的测量，剩下的两个从未谋面的粒子会瞬间变得相互关联。这使得网络可以一步步扩展其覆盖范围。然而，高效地实现这一点一直很困难，因为这个过程是概率性的，意味着它经常失败，而以前通过同时运行多个通道来尝试加速的方法，要么引入了过多的噪声，要么需要与现有电信基础设施不相符的复杂定制设备。
一组研究人员现在展示了一种克服这些瓶 easily 瓶颈的实用方法，创建了一种既快速又兼容标准光纤网络的纠缠对光源。他们构建了一个使用“零附加损耗复用”技术的系统，这种技术本质上是在不产生通常的信号损耗或混淆惩罚的情况下，同时运行许多并行量子通道。研究人员并没有试图强迫单个完美的通道更加努力工作，而是利用了光能够同时携带许多不同颜色（或频率）的自然能力。通过精心设计产生粒子的激光脉冲，并使用标准的商业滤波器来分离这些颜色，他们成功地同时运行了十六个不同的通道。研究人员使用一台每秒脉冲三次十亿次的激光器操作该系统，这种速度即使在现代标准下也极其迅速，使得生成纠缠对的速率达到了此前此类架构无法企及的高度。
他们实验的核心在于将这十六个平行的光流进行处理，并在所有通道上同时执行纠缠交换过程。他们将粒子通过一个设置进行测量和交换，从而有效地连接起网络的远程部分。结果令人瞩目：在所有十六个通道中，系统保持了93.9%的高平均保真度，这意味着尽管过程复杂，量子链路依然保持强劲且准确。总计，系统每秒成功交换纠缠对5.38次。当研究人员考虑到探测器的效率以及系统的特定设计方式时，这转化为每秒超过800个纠缠对的潜在生成率。这是一个显著的飞跃，表明可以使用现有技术来扩展量子网络，而不是等待全新的、未经证实的发明。
这项成就之所以特别值得关注，是因为它在速度与质量之间取得了平衡。在许多之前的尝试中，提高过程的速度会导致连接质量下降，或者需要极其狭窄的滤波，从而导致大部分信号丢失。在这里，研究人员成功地保持了粒子的光谱纯度，即每种颜色的光都是清晰且独立的，而无需额外的、有损耗的滤波器。他们通过精确设计产生光的晶体长度，并塑造激光脉冲使其完美契合电信标准滤波器带宽，实现了这一点。这种方法确保了该系统可以集成到全球光纤网络中，而无需对硬件进行彻底改造。团队还展示了即使在激光脉冲在时间上排列得非常紧密的情况下，该方法依然表现良好，而这种情况在其他系统中通常会导致错误。
展望未来，研究人员利用其实验数据模拟了如果能够减少剩余的损耗来源并增加通道数量时可能实现的情况。他们的模拟表明，通过使用更密集的频率间隔并提高探测器效率，该系统最终可以达到每秒十亿个纠缠对的生成率，同时保持高保真度。这将是构建实用的量子中继器（即扩展量子网络跨越大陆所需的设备）的关键阈值。虽然目前的实验是一个概念验证，但它确立了将理论转化为现实所需的核心能力。这项工作证明，通往高速量子互联网的路径不需要放弃现有基础设施，而是需要改进我们利用现有光纤电缆巨大容量的方式。通过证明利用现成组件实现高速度、高保真度纠缠交换是可行的，这项研究为实现全球量子网络的实际应用提供了一条可扩展的途径。
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