Фундаментальная задача квантовой сети — распределить квантовую запутанность между двумя удаленными точками. Однако потери при передаче в оптическом волокне ограничивают расстояние распространения спутанности до, примерно, 100км. Квантовые повторители могут преодолеть эту трудность, разделив передачу на большие расстояния на несколько элементарных каналов меньшей длины. Сначала создается сцепление двух конечных узлов каждого звена. Затем расстояние запутанности постепенно увеличивается за счет переключения перепутывания между каждым звеном.
Ранее элементарное звено квантового повторителя было реализовано в холодных атомных ансамблях и одноквантовых системах. Все эти демонстрации основаны на эмиссионных QM (quantum memories — квантовая память), в которых запутанные фотоны испускаются из QM. Квантовые повторители, построенные на основе эмиссионных QM, имеют простую структуру, но плохую совместимость. Одновременная поддержка детерминированных источников запутывания и мультиплексных операций— это большая проблема, которая является двумя ключевыми технологиями для повышения скорости распределения запутанности. Квантовые повторители, основанные на поглощающих квантовых моделях, могут преодолеть такие ограничения, поскольку они разделяют квантовую память и запутанные источники фотонов.
Исследовательская группа, возглавляемая профессором LI Chuanfeng и профессором ZHOU Zongquan из Китайского университета науки и технологий (USTC), занимается исследованием поглощающих QM на основе кристаллов, легированных редкоземельными ионами. Для такого типа QM источник сцепления может быть гибко выбран, включая детерминированные источники сцепления, при сохранении возможности мультиплексированных операций, и, следовательно, он должен быть более эффективным для приложений квантового повторителя. В новой работе они использовали внешние источники запутанных пар фотонов (EPPS), основанные на спонтанном параметрическом понижающем преобразовании, и впервые достигли объявленного распределения запутанности между двумя поглощающими квантовыми моделями.
Они построили элементарное звено с промежуточной станцией и двумя узлами на концах. Каждый узел содержит поглощающую QM с полосой пропускания 1 ГГц и EPPS с согласованной полосой пропускания. В каждом узле один запутанный фотон каждой пары фотонов хранился в "сэндвич-подобной" QM, в то время как другой передавался на среднюю станцию для совместного измерения состояния Белла (BSM). Успешная операция замены запутывания была провозглашена успешным щелчком BSM. Запутанность между двумя QMs на расстоянии 3,5 метра друг от друга была установлена с точностью около 80,4%, хотя никаких прямых взаимодействий между двумя удаленными QM не было. В этой демонстрации элементарного звена квантового повторителя использовались четыре временных режима, что в четыре раза увеличивало скорость распределения запутанности.
Эта работа обеспечивает реальную перспективу для разработки практических квантовых повторителей и закладывает основу для построения высокоскоростных квантовых сетей. Профессор LI Chuanfeng сказал, что команда продолжит улучшать показатели абсорбирующего QM.
Для будущих разработок исследовательская группа продолжит улучшать характеристики поглощающих QM и применять детерминированные источники запутанности, чтобы значительно повысить скорость распределения запутанности и создать практический квантовый повторитель, который превосходит прямую передачу фотонов.
