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50公里+！量子中继器从“可用”走向了“实用”
为了充分利用纠缠和其他量子效应，量子网络在单光子水平上交换信号；因此，光纤中的衰减是这些系统中最主要的误差来源。然而，光子损失可以通过一组中间网络节点来补救：这些节点被称为量子中继器，它们在遥远的网络节点之间建立直接的纠缠连接。
最近的突破是在2021年，一个基于金刚石中氮空位中心的量子中继器实现了相隔32米的两个网络节点的纠缠。现在，奥地利因斯布鲁克大学的Victor Krutyanskiy及其同事实现了一个使用捕获离子的量子中继器，他们利用该中继器将两个独立的25公里长的纠缠链接拼接成了一个50公里长的连接——这个距离正是现实世界中实用量子网络所需要的数量级。
通过考虑工作中的量子中继器应该具有的三个理想特征，可以理解Krutyanskiy和同事们这一壮举的意义。
1）首先是配备量子存储器的能力。由于光子损失和硬件的其他低效率，远程纠缠的产生是一个概率的过程。通过存储短距离的纠缠，量子存储器允许失败的链接重复其建立纠缠的尝试。
2）第二个理想特征与光子本身有关。光纤中的衰减根据用于编码信号的光的波长而变化。现代光纤通常以电信波长（大约1550纳米）传输光信号，在这个波长上，信号衰减是最小的。量子中继器非常有希望能够与这些电信波长的光对接。
3）第三个理想的特征与纠缠有关。中继器在静止的量子存储器和穿越光纤的“飞行”光子(flying photon)之间产生一个纠缠状态。然后它用一个不同的存储器重复这一过程，产生第二个飞行光子。这两个光子被路由到遥远的网络节点，从而建立两个独立的纠缠链接。然后中继器通过纠缠互换的程序将这些链接拼接在一起。
Krutyanskiy和合作者将所有这三种功能都整合到了一个系统中。更重要的是，他们还成功地将纠缠分布在相隔50公里的两个网络节点A和B之间，这个距离对于量子网络的实际应用来说是足够的。
该团队通过诱捕两个钙离子40Ca+并将其作为两个量子存储器来实现这一壮举。中继器协议首先将两个离子初始化为它们的基态，并依次用激光脉冲照亮它们。激光赋予离子足够的能量，以促进它们进入一个更高的能量水平。离子随后的衰变导致每个离子发射出一个光子，使离子-光子对纠缠在一起。这些光子被收集到一个波长转换器中，这个装置将发射的光子的自然波长改变为适合其未来旅程的电信波长。
然后这两个光子通过25公里长的光纤轴被引导到节点A和节点B。最后，中继器对其拥有的两个离子执行确定性纠缠交换，将离子-光子纠缠转变为跨越50公里的光子-光子纠缠。
最终的光子-光子状态由状态断层扫描来描述，其中纠缠分布被重复多次，光子在节点A和B被测量，以便建立一个统计测量（保真度），即共享的光子-光子状态与理想状态的接近程度。
单比特保真度标志着一个完美的理想状态。此次实验中，获得的保真度为0.72，节点A和B获得纠缠的成功率为9.2 Hz，每次尝试的成功概率为9.2 ×10-4。这一保真度远远高于光子被纠缠所需的0.5的阈值。
此外，该团队还进行了一项实验，在没有中继器的情况下，将光子-光子纠缠直接分布在50公里范围内。最后，数据统计得到了6.7赫兹的成功率下降，这表明使用中继器辅助方案的优势。
在其研究中，团队还提出了一个发人深省的问题：如果要用多个串联的中继器跨越800公里的端到端距离，实验参数需要改进多少？令人惊讶的是，只有几个参数需要稍作改进。最大的进步是需要对光子的非确定性纠缠交换器进行改进，这将是连接多个中继器所需要的。研究人员提出了令人信服的论据：即这些改进在不久的将来是可以实现的。
近年来，量子通信的实验演示令人振奋。结合这项工作中展示的长距离能力，很明显，量子网络正在迅速从理论上的建议过渡到现实世界的实施。
参考链接：[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.213601[2]https://physics.aps.org/articles/v16/84[3]https://mbd.baidu.com/newspage/data/landingsuper?pageType=1&context=%7B%22nid%22%3A%22news_10054889958889699151%22,%22ssid%22%3A%2275bf95b1%22%7D
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