Nature | 量子物理：突破量子存储器纠缠记录

       LMU和 Saarland大学的研究人员在33公里长的光纤上连接了两个量子存储器，这是一个记录，也是迈向量子互联网的重要一步。

       如何建立完全安全不受黑客攻击的数据传输网络？物理学家们如何如愿以偿，有一天，在量子力学纠缠的帮助下，这将成为现实。对于纠缠的粒子，物理规则是：如果你测量其中一个粒子的状态，那么你就会自动知道另一个粒子的状态。这与纠缠粒子之间的距离没有关系。这是一种远距离传输信息的理想状态，是一种不可能被窃听的方式。

       LMU的Harald Weinfurter教授和Saarland大学的Christoph Becher教授领导的一个团队现在已经在33公里长的光纤连接上耦合了两个原子量子存储器。这是迄今为止通过电信光纤管理纠缠的最长距离。量子力学纠缠是通过两个量子存储器发射的光子介导的。一个决定性的步骤是研究人员将发射光粒子的波长转换为用于传统通信的波长。“通过这样做，我们能够显著减少光子的损失，甚至在长距离的光纤电缆上创建纠缠量子存储器，”Weinfurter说。

       一般来说，量子网络由单个量子存储器的节点组成，例如原子、离子或晶格中的缺陷。这些节点能够接收、存储和传输量子态。可以使用通过空气或通过光纤连接以有针对性的方式交换的光粒子来实现节点之间的调解。在他们的实验中，研究人员在LMU校园的两个实验室使用了一个由两个光学捕获的铷原子组成的系统。这两个地点通过一条700米长的光缆相连，该光缆在大学主楼前的Geschwister Scholl广场下方。通过在线圈上添加额外的光纤，可以实现长达33公里的连接。

       激光脉冲激发原子，然后原子自发地回到基态，每个原子都因此发射光子。由于角动量守恒，原子的自旋与其发射光子的偏振纠缠。然后，这些轻粒子可以用来创建两个原子的量子力学耦合。为了做到这一点，科学家们通过光缆将它们发送到接收站，在那里对光子进行联合测量，表明量子存储器存在纠缠。

       然而，大多数量子存储器发射波长在可见光或近红外范围内的光。Christoph Becher解释说：“在光纤中，这些光子在消失之前只存在几公里。”。因此，Saarbrücken的物理学家和他的团队优化了光子在电缆中存在的波长。使用两个量子变频器，他们将原始波长从780纳米增加到1517纳米。贝彻说：“这接近于所谓的1550纳米左右的电信波长。”。电信频带是光纤中光传输损耗最低的频率范围。Becher的团队以前所未有的57%的效率完成了转换。同时，他们设法在很大程度上保持光子中存储的信息的质量，这是量子耦合的一个条件。

       “我们实验的意义在于，我们实际上使两个静止的粒子纠缠在一起——也就是说，原子起着量子记忆的作用，”论文的主要作者Tim van Leent说。“这比纠缠光子困难得多，但它开辟了更多的应用可能性。”研究人员认为，他们开发的系统可以用于构建大规模量子网络和实现安全的量子通信协议。HaraldWeinfurter表示：“该实验是在现有光纤基础设施的基础上实现量子互联网的重要一步。”。

图：实验装置示意图

[1] Tim van Leent, Matthias Bock, Florian Fertig, Robert Garthoff, Sebastian Eppelt, Yiru Zhou, Pooja Malik, Matthias Seubert, Tobias Bauer, Wenjamin Rosenfeld, Wei Zhang, Christoph Becher, Harald Weinfurter. Entangling single atoms over 33 km telecom fibre. Nature, 2022; 607 (7917): 69 DOI: 10.1038/s41586-022-04764-4