独立量子存储器间的远距离纠缠

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随着量子信息技术近些年的迅猛发展,构建量子存储器间相互连接的大规模量子网络成为研究的热点。这一网络可以应用于量子信息中的诸多热门方向和领域,例如远距离光纤量子通讯,分布式量子计算等。构建它的基础是实现独立量子存储间的远程纠缠。但是目前,纠缠存储器相隔的最远物理距离仍处在公里量级。将存储器间纠缠的距离进一步扩展主要面临以下一些问题。首先,光子作为传输媒介,其波长要与存储器和信道,即通讯光纤,进行匹配,以实现光子的高效存储和传输。再者,独立激光系统需要建立相互间的频率和相位关联。此外,每个存储装置要能够实现独立操控和时序的同步。最后,存储器的存储寿命需要超过光子的传输时间。本文中我们尝试使用独立冷原子系综量子存储器建立几十公里距离的纠缠。我们首先搭建起位于合肥高新区的新量子存储器节点,优化了真空系统的设计,光路的布局。环形腔的使用,增强了光子与原子系综间的耦合,提升了存储器的读取效率,抑制了读光噪声。我们引入量子频率转换技术,将原子出射的光子波长从795纳米转换到1342纳米通讯波段,光纤损耗也从3.5 dB/km降低到0.3 dB/km。此外,我们还改进了实验的时序控制以适应独立节点实验的需求。在此基础上,我们进行了两个实验。在第一个实验中,我们首先在发送节点产生光与原子之间的纠缠,纠缠光子会经频率转换和长光纤发送到接收端,使用EIT方法存储在接收端的原子中。在该实验中,我们利用远程频率锁定使发送光子频率与接收原子系综匹配起来。我们还在发送节点改良了双光子拉曼光路布置,优化了背景磁场的稳定性,在有环形腔存在的情况下,有效提升了非共线存储器的存储寿命,满足了纠缠建立所需的等待时间。最终我们将存储器中的光子分别读出进行纠缠验证。为了实现宣布式远程纠缠,我们在第二个实验中采用了 DLCZ纠缠建立方案,在两个独立节点都概率性地产生光与原子之间的纠缠,并将光子发送到中间节点进行单光子干涉建立远距离纠缠。当中间节点探测到没有路径信息的单光子时,我们就获得了独立节点存储器间的纠缠。在这一单光子干涉实验中,我们使用超稳腔、拍频锁定技术关联本地激光器间的相位,并通过远程弱光干涉及快速反馈的方式同步异地激光器和长光纤引入的相位。最后,我们使用补光子方案将读出的粒子数态纠缠转换到偏振态纠缠,通过联合局域测量验证纠缠。本论文所完成的两个独立双节点冷原子系综纠缠实验能够验证多节点量子存储网络的构建机制,为后续进行量子物理检验,探索器件无关量子密钥分发等应用奠定了基础,推动了相关领域的实验研究。
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