研究背景
量子互联网是一种基于量子力学原理的新型网络，其节点可以存储和处理量子信息，并通过共享纠缠态进行连接。这种网络的建立将带来诸如量子密码学、分布式量子计算和增强感知等颠覆性应用。然而，要实现量子互联网，必须克服许多挑战。其中之一是建立起多节点的量子网络，从实验室规模扩展到大规模的城市区域。这需要克服光纤传输中的信号衰减和相位稳定性等问题，以及实现独立的量子节点和可扩展的网络架构。因此，科学家们进行了大量的研究工作，试图解决这些挑战。他们通过开展各种实验，使用不同的物理平台，如原子集合、单个原子、钻石氮-空位中心等，成功地建立了相邻节点之间的纠缠。然而，这些实验通常局限于实验室规模，并且在建立起多节点网络方面仍存在一定的局限性。有鉴于此，中国科学技术大学潘建伟院士、包小辉、张强等人在“Nature”期刊上发表了题为“Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network”的最新论文。他们利用原子集合量子存储器和光子服务器等设备，在合肥市建立了三个独立的量子节点，同时设置了一个位于中心的服务器节点。通过光纤连接，这些节点可以进行经典和量子通信。在每个量子节点中，利用DLCZ协议生成了原子-光子纠缠，并通过QFC模块降低了光子在光纤中的损耗。通过这种创新的架构和技术手段，研究人员成功地实现了远距离量子节点之间的纠缠生成，并且超过了通信时间的纠缠存储。此外，他们还实现了所有三个节点之间的远程纠缠生成，并且可以同时执行这些操作。
研究内容
图1展示了该研究的网络布局和实验设置。在图中，a部分展示了一个广阔复杂的量子网络的设想架构，包括大都市区域网络和城际节点之间的连接。研究人员在Hefei市的四个实验室中建立了一个由三个量子节点（Alice、Bob和Charlie）和一个服务器节点组成的星形网络。每个节点之间通过光纤连接，形成一个由量子节点和服务器节点构成的网络。量子节点之间的距离在7.9到12.5公里之间。通过实验，研究人员成功地建立了远距离量子节点之间的纠缠，并实现了超过往返通信时间的纠缠存储。他们还展示了网络中所有三个节点之间的远程纠缠生成，并且可以同时执行这些操作。因此，通过图1展示的实验结果，研究人员成功建立了一个大都市范围内的多节点量子网络，为量子互联网的发展奠定了基础，并为量子通信和量子信息处理领域的进一步研究提供了重要的参考和启示。 为了解决量子网络中的挑战，研究人员开发了一种基于弱场远程相位稳定方法的网络架构，并进行了相应的实验。图2展示了弱场相位和频率稳定的方案和实验结果。在该图中，研究者使用相位探测脉冲和光子计数来检测量子节点之间的相位差Δφ，并立即进行补偿。实验结果表明，通过执行相位稳定化，可以获得良好的相位相关性和稳定性。此外，他们还对激光器的频率进行了校准，以避免频率漂移对实验结果的影响。这些技术的实施对于确保量子节点之间的纠缠生成和存储至关重要。 在图3中，研究人员验证了在两个远程量子节点之间生成的纠缠。他们使用了一种基于弱场的方法，通过在两个节点中生成弱的纠缠探测脉冲来验证远程纠缠的存在。实验结果表明，他们成功地生成了远程的Fock基础纠缠，并将其转换为极化最大纠缠（PME）状态，这使得纠缠状态可以用于量子通信协议。通过对密度矩阵和保真度的分析，研究人员验证了纠缠的存在，并且证明了使用弱场方法进行纠缠验证的有效性。研究者进行了下图4的工作，以验证网络中的并发纠缠生成。他们的目标是在三个不同的链路上实现并发的量子纠缠。图中分为两个部分，a和b展示了通过改变Charlie节点的相位来测量Alice-Bob、Alice-Charlie和Bob-Charlie链路之间的相关性。他们观察到了正弦振荡的特征，这表明在不同链路之间存在纠缠关系。在c和d中，研究者进行了进一步的相关性测量，以确认通过不同链路生成的PME（极化最大纠缠）状态的存在。这些测量结果表明，通过网络实现了有效的并发纠缠生成，证明了该网络架构的可行性。这对于量子通信和量子网络的发展具有重要意义，为未来量子技术的应用提供了可靠的基础。
总结展望
本文展示了一种都市区域纠缠量子网络的实现，为构建更加可扩展和灵活的量子通信基础设施提供了新的思路和方法。通过成功实现远程纠缠的生成和存储，以及在网络内同时生成多个纠缠对的演示，本研究突破了纠缠量子网络的技术挑战，为未来量子通信和量子信息处理领域的发展指明了方向。首先，本研究通过采用单光子方案，提高了纠缠速率，并克服了传统方案中的一些技术限制，如频率漂移和光子数波动等。其次，远程相位稳定化和弱场方法为网络中的量子节点提供了高效的纠缠生成和验证手段，为构建更大规模和更复杂拓扑结构的量子网络奠定了基础。此外，本文提出的技术方法还具有很强的通用性，可以适用于不同的物理平台和量子系统，从而为量子通信和信息处理的实际应用提供了可行的解决方案。总之，本文通过实验验证了量子网络中远程纠缠的可行性，并提出了一系列解决技术挑战的方法，为未来量子通信和信息处理技术的发展提供了重要参考和启示。这将促进量子技术在信息安全、数据传输和计算等领域的广泛应用，推动量子信息科学的进一步发展。 Liu, JL., Luo, XY., Yu, Y. et al. Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network. Nature 629, 579–585 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07308-0
