在前往量子网络的路上：通过光纤记录设置20km纠缠

单个原子陷阱的图片。在超高真空玻璃细胞中，捕获单个铷原子，后来将用光子缠结。

Ludwig Maximilian大学的物理学家慕尼黑大学（LMU）与萨尔兰大学的同事一起成功地通过光纤通过高达20公里的光纤运输原子和光子之间的纠缠状态 - 从而设置了一个新的记录。

“纠缠”描述了一种非常特殊类型的量子状态，其单独归因于单个颗粒，但是在两个不同的粒子之间共享。它在一起不可挽回地将他们的随后的命运联系在一起 - 无论他们相隔多远 - 哪个着名的艾伯特爱因斯坦称之为“距离幽灵动作”的现象。纠缠已成为基于量子级的效果的新技术的基石，并且其在长距离的分布是量子通信中的核心目标。现在LMU研究人员由物理学家Harald Weinfurter在Saarbrücken大学的团队合作中，已经表明，可以通过光纤传输原子和光子的缠结状态（如电信网络中使用的那些）远远超过20公里。以前的记录为700米。[目前的记录似乎是50公里。 ed。]“实验代表了一个里程碑，因为所涵盖的距离确认量子信息可以在大规模的情况下分发，”Weinfurter说。因此，我们的作品构成了朝着未来的量子网络实现的重要一步。“

量子网络基本上由充当节点的量子存储器（例如由一个或多个原子组成），以及其中光子（光量子）可以传播的通信信道以将节点链接在一起。在实验中，研究人员用光子缠结了铷原子，并且能够检测到缠结状态 - 现在分享两种颗粒的量子特性 - 在其通过20千米的光纤线圈之后。

实验者面临的最大问题从铷原子的性质开始。在靶向激发之后，这些原子在光谱的近红外区域中发射波长为780纳米的光子。“在由玻璃制成的光纤中，此波长的光迅速吸收，”Weinfurter解释说。因此，传统的电信网络利用大约1550纳米的波长，这显着降低了运输过程中的损耗。

显然，这种波长也将改善实验者的成功机会。因此，Matthias Bock是Saarbrücken的一部分，建立了所谓的量子变频器，该量子变频器专门设计用于将发射的光子的波长从780增加到1520纳米。这项任务本身提出了许多非常苛刻的技术挑战。因为它必须确保仅从单个光子转换为仅一个其他光子，并且在转换过程中，缠绕状态的其他特性尤其是光子的偏振。否则，纠缠州会丢失。“由于使用这种高效的转换器，我们能够在电信波长的更长范围内保持纠缠状态，因此运输它在长距离携带的量子信息，”Weinfurter说。

在下一步中，研究人员计划频率转换由第二原子发出的光，这应该使它们能够在长电信纤维上产生两个原子之间的缠结。玻璃 - 纤维电缆的性能根据它们暴露的温度和菌株等因素而变化。因此，该团队打算首先在实验室的受控条件下进行该实验。在成功的情况下，将进行现场实验，也将新节点添加到越来越多的网络。毕竟，即使是一次迈出一步，也可以成功完成即使是长途旅行。

参考：“电信波长的原子 - 光子缠结的长距离分布”由Tim Van Leent，Matthias Boock，Robert Garthoff，Kai Redeker，Wei Zhang，Tobias Bauer，Wenjamin Rosenfeld，Christoph Becher和Harald Weinfurter，10月10日，物理评论字母.DOI：
10.1103 / physrevlett.124.010510