在过去的半个世纪里，通信网络改变了我们的社会，我们几乎无法想象没有它们的日常生活。新兴量子技术领域的最新进展让科学家们对在网络中连接量子设备的可能性感到兴奋。远距离量子通信预示着经典网络无法实现的功能。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的主要误差源。然而，光子损失可以使用一组称为量子中继器的中间网络节点来补救，这些节点在远距离网络节点之间建立直接纠缠连接。基于钻石中氮空位中心的量子中继器最近实现了相距32米的两个网络节点的纠缠。最近，奥地利因斯布鲁克大学的Victor Krutyanskiy及其同事实现了一种使用俘获离子的量子中继器，他们用它来将两个独立的25公里长的纠缠链路拼接成一个50公里长的连接。这个距离是现实世界中实际量子网络所需的数量级。

Krutyanskiy及其同事的壮举的重要性可以通过考虑工作量子中继器应具备的三个理想特征来理解。首先是配备量子存储器的能力。由于硬件中的光子损失和其他低效率，远程纠缠的产生是一个概率过程。要求仅在所有短距离链路同时成功时才建立端到端连接将导致总体成功率呈指数级下降。通过存储短距离纠缠，量子存储器允许失败的链接重复建立纠缠的尝试。

量子中继器的第二个理想特征与光子本身有关。光纤中的衰减取决于用于编码信号的光的波长。现代光纤通常携带1550nm左右电信波长的光信号，在该波长下信号衰减最小。非常希望量子中继器能够与这些电信波长的的光交互。

第三个理想特征与纠缠的“拼接”有关。中继器在固定量子存储器和穿过光纤的“飞行”光子之间产生纠缠态。然后它用不同的记忆重复这个过程以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路。然后中继器通过称为纠缠交换的过程将这些链接拼接在一起。拼接应该是确定性的，而不是概率性的，以避免降低端到端纠缠的宝贵总成功率。

Krutyanskiy和合作者将所有三个功能集成到一个系统中。更重要的是，他们还成功地在相隔50公里的两个网络节点A和B之间分配了纠缠，这个距离足以满足量子网络的实际应用。该团队通过捕获两个钙离子40Ca+实现了这一壮举并将它们用作两个量子存储器。中继器协议首先将两个离子初始化为基态，然后用激光脉冲依次照射它们。激光赋予离子足够的能量以将它们提升到更高的能级。离子的后续衰变导致每个离子发射一个光子，从而使离子-光子对纠缠在一起。光子被收集到波长转换器中，这是一种将发射光子的自然波长改变为适合其前进旅程的电信波长的设备。然后，这两个光子通过25公里长的光纤线轴被引导到节点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-光子纠缠转化为光子-光子跨越50公里的纠缠。

最终的光子-光子状态通过状态断层扫描来表征，其中纠缠分布重复多次，并在节点A和B处测量光子，以建立一个统计量度，称为保真度，用于衡量共享光子-光子的接近程度状态是理想状态。单位保真度表示完美的理想状态。获得的保真度为0.72，节点A和B获得纠缠，成功率为9.2Hz，每次尝试的成功概率为9.2×10^-4。这种保真度远高于光子纠缠所需的阈值0.5。此外，该团队还进行了一项实验，在该实验中，光子-光子纠缠在没有中继器的情况下直接分布在50公里以上。降低的6.7Hz成功率证明了使用中继器辅助方案的优势。在实验中使用的距离上，这种优势似乎不大。然而，在没有中继器的情况下，超过100公里的距离成功率变得微乎其微。

在其研究中，因斯布鲁克团队提出了一个发人深省的问题：实验参数需要多好才能跨越800公里的端到端距离并使用多个级联中继器？令人惊讶的是，其中几个参数只需要很小的改进。光子的非确定性纠缠交换器需要最大的进步，这将需要链接多个中继器。研究人员提出了令人信服的论据，证明这些改进在不久的将来是可以实现的。

近年来，量子通信领域出现了激动人心的实验演示。结合这项工作中展示的远距离能力，很明显，量子网络正在从理论建议迅速过渡到现实世界的实现。必须牢记从经典网络——互联网——中学到的两个重要教训。首先，良好的硬件本身并不是实现可扩展全球通信的充分途径。它必须伴随着良好的软件体系结构。其次，好的软件需要很长时间才能成熟。物理学家和工程师正在共同设计专门的链路层协议以及未来量子互联网的整个架构，以确保硬件和软件齐头并进。

这项研究于5月22日发表在《物理评论快报》期刊上。

doi：10.1103/PhysRevLett.130.213601

来自：全球前沿科学