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普林斯顿大学的研究团队报道了构建量子中继器的新方法

光子在长距离连接中的损耗限制了量子网络的发展,因此有必要使用量子“中继器”系统来增强网络节点之间的信号。


现在,研究人员找到了一种长距离连接量子设备的新方法,这是让该技术在未来通信系统中发挥作用的必要一步。研究发现,掺入钨酸钙晶体中的铒离子在电信频段发出的光子彼此无法区分,因此有望用于此类中继器。


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“Indistinguishable telecom band photons from a single Er ion in the solid state”这一研究详细介绍了构建量子中继器的新方法的基础。

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长距离量子网络在量子信息科学领域有许多应用,包括超安全通信、模块化量子计算和分布式量子传感。这种网络通过在远距离节点的量子粒子之间分配纠缠(量子记忆状态之间的相关性)来运行。节点之间可以通过发送光子来连接。然而,光子在长距离传输过程中会丢失;即使在光纤的最佳波长(1.5微米)下,每20公里也会丢失一半的光子。

利用量子中继器这一中间网络节点可以克服这种损失,量子中继器利用每个节点上的长寿命量子存储器存储纠缠。

中继器是利用原子或类似原子的系统制造的,其光学跃迁(其能量状态的变化导致单光子的发射)与内部自由度(如自旋角动量)相连,可用作量子存储器。这样,它们就能产生与量子存储器纠缠的单光子。一对遥远的存储器可以通过对其发射的光子进行联合测量来实现纠缠。这种测量要求两个光子无法区分:不受噪声或随机波动的影响,因为噪声或随机波动会在退相干过程中削弱纠缠。

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然而,很少有原子能自然发射出最佳波长的光子。以前的工作曾考虑过铒离子(Er3+),它能发射波长为1.5 µm的光子。这些离子可以作为晶体缺陷加入晶体中,并利用纳米光子设备进行单独控制,但迄今为止,这些设备中的噪声阻碍了不可分辨光子的发射。

固态晶体中的原子缺陷所经历的退相干量取决于噪声的大小(由主晶体中的其他自旋、电荷和晶格振动产生)以及缺陷对噪声的敏感度。稀土离子(如Er3+)的一个特别优势是它们可以融入各种宿主材料中,从而为这些决定因素的设计提供了空间。因此,实验团队找到了一种具有稀土离子传统宿主晶体所不具备的两种特性的宿主材料:低核自旋丰度(以降低磁噪声)和Er3+位点的非极性对称性(以降低对电荷的敏感性);并预计,抑制对电荷噪声的敏感性对于纳米光子器件表面和界面附近的Er3+离子尤为重要。

在探索了各种植入Er3+离子材料后,团队最终选择了钨酸钙(CaWO4)。Er3+离子被植入这种材料的非极性位点,核自旋丰度低,因此自旋相干时间长(发生退相干之前的可用时间)。

实验中,科学家将硅纳米光子谐振器粘合到晶体的顶部表面,以增强和有效收集浅嵌Er3+离子发射的光子。在激光激发下,Er3+离子产生了线宽为150千赫兹的光发射峰——这是迄今为止纳米光子器件中固态缺陷记录到的最窄线宽,比其他宿主材料中的浅层Er3+离子提高了100倍。这使得团队能够在电信波段频率上发射几乎无差别的光子,并利用了“Hong-Ou-Mandel 干涉”现象对此进行了确证。

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Er3+:CaWO4器件结构。

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不可区分的光子源。光子可用于在量子网络中编码量子信息。在这种网络中,光子损耗的影响可以通过称为量子中继器的设备来缓解。量子中继器可基于稀土金属离子,如铒离子(Er3+),并融入纳米光子器件中。a)在这里Er3+子被植入钨酸钙(CaWO4)的浅层,硅纳米光子谐振器被粘合到晶体的顶面,以增强Er3+离子发射的光子的收集。b)不可分光子的发射是通过“洪-欧-曼德尔效应(HOM)”来表征的。这抑制了在分光器输出零延迟(t1 - t2 = 0)时同时检测到两个光子(HOM 重合)的概率。

通过观察干涉仪输出中单个光子的强烈抑制(高达 80%) ,该团队最终证明新材料中的铒离子发射出难以区分的光子。共同领导这项研究的研究生Salim Ourari表示,这使得信号远高于高保真阈值

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虽然这项工作跨越了一个重要的阈值,但还需要额外的工作来改善铒离子自旋中量子态的存储时间。

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自旋动力学

CaWO4Er3+发射光子的高度不可分性和较长的自旋相干时间为研究自旋-光子和自旋-自旋纠缠的后续实验创造了条件。团队表示,目前,实验室正在进行这些相关实验。

不过,要实现真正的长距离、多节点量子中继网络,需要进一步延长自旋相干时间:这可以通过提高块状CaWO4材料或纳米光子器件表面的纯度,或通过降低工作温度以 “冻结”噪声来实现。

来源:
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06281-4
[2]https://phys.org/news/2023-08-simpler-quantum.html
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-023-02283-4