ICFO在巴塞罗那大都市网络中传输光实现了量子纠缠传输试验

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随着实现强大的量子计算机和量子模拟器的努力持续推进，另一项平行计划也在进行，即实现经典互联网的量子类比。这种新的量子网络将提供超安全的量子安全网络安全，并最终用于交换量子比特（qubits），这些是量子信息的基本单元，也是量子计算机的语言。实际上，它将提供一个网络，使不同的量子计算机可以像云计算中的经典处理器一样互相连接。

未来量子互联网基础设施的首选实际上是现有的电信网络，它几乎无处不在，并能让光在有限吸收的情况下传播非常远的距离。由于低吸收性和高速，光成为了经典或量子信息传输的理想载体。明亮的激光光可以方便地用于在互联网上传输经典信息，而在光纤中放置的光放大器则可补偿光的衰减，通常每隔几十公里就放置一个放大器。然而，量子信息的传输，即量子通信，则需要更加复杂的手段。

量子比特仍然编码在光中，特别是单光子中，但这种量子编码不能被放大，因为量子力学的规则不允许：如果试图放大量子编码，会严重损坏光子中的信息。因此，经典网络中使用的放大器不能用于量子比特。这意味着构建量子互联网需要一种全新的技术：量子中继器。

就像光放大器确保了远距离位置之间的连接一样，量子中继器将允许通过分配纠缠来实现长距离通信。纠缠是两个物体的一种独特的量子特性，其表现出的关联性无法通过经典方法再现，是量子通信的主要组成部分之一。纠缠可用于传输量子信息，例如通过量子中继系统中的两个节点之间的量子传输。

建立两个节点之间的远程纠缠的一种方式是通过直接传输：可以生成一对纠缠的光子，其中一个留在原地，另一个传送到另一个位置。这意味着后者需要与光纤传输兼容，而前者需要存储在量子存储器中，从而实现光与物质之间的纠缠。

现在，需要一组量子中继器将多个这些节点配对，以实现量子存储器之间的长距离纠缠。一种有前途的量子中继器节点架构依赖于将自发光子对生成（SPDC）与外部量子存储器配对。

这是ICFO的研究人员所采取的方法。在《Optica Quantum》期刊上发表的研究中，由ICREA教授Hugues de Riedmatten领导的Jelena Rakonjac、Samuele Grandi、Soren Wengerowsky、Dario Lago-Rivera和Felicien Appas展示了光-物质纠缠通过数十公里光纤传输的实验。

在实验中，他们生成了一对光子，其中一个在1436nm的电信波长发射，另一个在606nm发射，与使用的固态量子存储器兼容，该存储器由掺有稀土原子的特殊晶体实现。

他们随后利用巴塞罗那的大都会网络，将他们的系统连接到从ICFO（在Castelldefels）到加泰罗尼亚电信中心（CTTI）之间的两根光纤。这两个中心之间形成了一个50公里的环路，将光子传送到巴塞罗那市中心并返回ICFO。通过这一操作，他们证明了在完成50公里的全程往返后，在实验室中生成的光保持了其量子特性，并没有显著下降，显示出光子量子比特在光纤中穿越数十公里甚至在大都市区域中行进时不会表现出退相干。简而言之，量子光离开了实验室，最终在其起点被探测到。

然而，量子通信需要在远程位置使用并验证纠缠，其中纠缠光子在空间和时间上彼此分离的地方被检测到。朝着这一方向，研究人员扩展了他们的网络，加入了一个新节点，这次位于巴塞罗那i2CAT基金会内的大楼，距离ICFO大约44公里，通过本地光纤网络连接，直线距离约为17公里。

在那里，他们安装了一个电信探测器来测量通过其中一根光纤到达的光子，而另一根光纤则连接到一个转换器，将探测器的电信号转化为光，并通过光纤线路发送回ICFO。通过这种方式，信息可以以高精度传送回ICFO，即使光子在17公里之外被检测到。此外，他们使用相同的转换器在这一基本网络的两个节点之间发送同步信号，其中量子关联的生成和检测完全分离在两个独立但相连的节点之间。

这项实验验证了研究人员用于生成光-物质纠缠的系统，并已证明它是实现量子中继器节点的最有前途的候选技术之一，而量子中继器节点是实现长距离量子通信的关键技术。实验室中的概念验证已被实现，研究团队现在正在努力提高存储器和源的性能。

此外，研究人员与Cellnex公司合作，在QNetworks和EuroQCI Spain项目的框架下，Collserola塔内的新实验室已经投入使用，旨在实现远程量子存储器的纠缠态。实现量子存储器之间纠缠分配的长距离骨干网络也是量子互联网联盟（QIA）的主要目标之一，这是欧洲在实现量子互联网方面的领先努力，ICFO是该联盟的主要合作伙伴。

研究的共同第一作者、ICFO研究员Samuele Grandi评论道：“研究的结果，即光-物质纠缠在大都会区域内的光纤传输，是朝着实现完整量子互联网的初步奠基石，我们的源头和量子节点将是其核心。”

ICREA教授Hugues de Riedmatten总结道：“光-物质纠缠是量子通信的关键资源，并在实验室中多次得到证明。在已安装的光纤网络中展示这一点是朝着在巴塞罗那区域内实现量子中继器技术测试平台的第一步，为基于光纤的长距离网络奠定基础。”