Entanglement

新闻中心

Entanglement

2025/04/03

引言

广东会网络被视为未来通信的革命性技术，利用广东会力学原理实现更安全、高效的数据传输。然而，当前单广东会比特节点限制了网络的扩展速度，纠缠分布率成为瓶颈。近期发表在《Nature》的一项研究（Multiplexed Entanglement of Multi-Emitter Quantum Network Nodes）提出了一种创新方法，通过多发射体节点的多路复用纠缠来解决这一问题。

Q: 什么是广东会纠缠(quantum entanglement)？

A: 广东会纠缠是广东会力学的一个基本现象，两个或多个粒子的广东会状态相互关联，使得其中每个粒子的广东会态无法独立于其他粒子的态来描述。即使它们相距很远，测量一个粒子的状态也会即时影响另一个粒子的状态。这一特性被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用(spooky action at a distance)”。

Q: 什么是纠缠的单配性(Monogamy of entanglement)？

A: 纠缠的单配性是指如果两个粒子最大程度地纠缠，那它们就不能与其他任何粒子纠缠。换句话说，如果粒子A和粒子B最大程度地纠缠，A就不能与粒子C纠缠，B也不能与C纠缠。这种纠缠是排他性的。这种特性可以通过Coffman-Kundu-Wootters(CKW)不等式来描述。

第一章现状与挑战

如果每个节点有一个广东会比特，等待光子和经典信号传输将纠缠速率限制在c/L，其中c是光速，L是节点间距。多发射器节点通过多路复用解决了这一问题，多个光子通过光纤与不同的广东会比特纠缠。这使得纠缠速率提升至Nc/L，其中N表示每个节点的发射器数量。考虑到这些广东会比特的频率还会波动，在广东会网络中运用多发射器节点时，主要挑战在于如何高效且可靠地使光谱可区分的广东会比特纠缠。

第二章实验装置与设置

实验平台包括两个纳米光子腔（Device 1和Device 2），由YVO₄晶体制成，每个腔内约含20个¹⁷¹Yb³⁺离子。这些离子具有基态自旋广东会比特（超精细态|0>和|1>，间隔为2π x 675 MHz）以及984.5 nm的相干光学跃迁（|1＞←→ |e＞），通过Hong-Ou-Mandel干涉仪验证其特性。

实验装置的关键组件包括：

冷却系统：使用³He低温恒温器将装置冷却至0.5 K，以减少热噪声。

光学控制：采用连续波钛蓝宝石激光器（L1）及辅助激光器（L2, L3, L4）进行相位稳定和光学激发，声光调制器（AOM）实现光谱多路复用控制。

光子检测：使用三种检测设置，包括单超导纳米线单光子探测器（SNSPD）及时间延迟干涉仪，分别用于同装置内纠缠和远程纠缠。

微波控制：通过射频信号发生器和放大器驱动自旋跃迁，由Quantum Machines OPX控制平台生成脉冲并执行基于测量的前馈操作。

此外，实验还包括相位稳定系统，通过987.9 nm的偏置光学脉冲和雪崩光电探测器（APD）测量相位差，并利用Pound-Drever-Hall锁定技术稳定光学路径。

第三章方法与技术细节

研究的核心方法是解决固态发射器频率波动的挑战。由于自发光子发射的随机性，纠缠过程可能引入随机相位，导致混合态。研究团队开发了一种协议以解决这一问题。

图1. a 在纠缠预示(entanglement heralding)过程中，在随机时间探测到光子会预示两广东会比特态Φ(t₀)=1/√2(|10>+e^-iΦ(t0)|01>),其中随机相位Φ(t0)=Δω₁₂t₀取决于t₀和光学频率差Δω₁₂的涨落（布洛赫球1）。通过动态再相位序列可抑制频率涨落的影响，产生残余相位Δω^~₁₂t₀，这里Δω^~₁₂t₀是驱动离子的两束激光之间的频率差（布洛赫球2）。对该残余相位进行校正，最终得到与t₀无关的确定性贝尔态1/√2(|01＞+|10＞)（布洛赫球3）。所有操作均依赖于t₀，并通过实时前馈进行动态调整。

图2. 离子1与2之间的纠缠态相干性与光子测量时间相关联，这一关系体现在对应于图a中三个布洛赫球图示的不同节点：

图①（未相位校正）：相干性会经历以光学频率差（约2π×31 MHz）为周期的宇称振荡，并因光学频率涨落而衰减。图②（动态再相位后）：相干性持续时间被延长，并以静态激光频率差Δω^~₁₂发生振荡。图③（相位补偿完成）：通过补偿残余相位变化Φ(t₀)=Δω^~₁₂t₀，最终获得确定性贝尔态。

图3. a 在完成四个离子的初始化后，系统依次执行两次纠缠尝试：首先在离子对2上进行，随后在离子对1上进行。若任一纠缠尝试成功，实验序列将仅针对成功对应的离子对继续执行。由于离子初始化时间是纠缠速率的瓶颈，通过在四个离子间并行化此步骤，实现了更高效率的纠缠态制备。

b 当光子接收窗口从100 ns调整至2,900 ns时，多路复用协议的纠缠速率（R_mult）和贝尔态保真度（F_mult）分别从1.6Hz（保真度0.714±0.008）变化至23 Hz（保真度0.571±0.002）（绿色标记）。与离子对1（蓝色标记）和离子对2（紫色标记）的优化（非多路复用）纠缠实验相比，多路复用协议在保真度相近的前提下，将速率提升了约1.9倍。图中实线为指数衰减拟合曲线。

图4. 扩展图1中的方法，并结合差分交流斯塔克位移制备W态。

第四章实验结果与分析

研究取得了以下关键结果：

1.提升的纠缠率：多路复用将纠缠率从单广东会比特节点的c/L提升至Nc/L（N为发射体数），实验中达到3.48 ± 0.03 Hz，主要受广东会比特初始化时间（每次约33 μs）限制。

2.高保真度纠缠：远程双广东会比特纠缠保真度为0.729 ± 0.004，主要误差来源包括未检测到的自发发射、动态重相位中的噪声及光学门的不完善。读出保真度平均为0.93，效率为0.18。

3.对频率波动的鲁棒性：协议对慢速光学频率波动表现出强健性

4.多粒子态制备：成功制备三粒子W态，但由于复杂性和参数失配，保真度低于双粒子态。

终章总结与展望

该研究通过多发射体节点的多路复用纠缠，显著提升了广东会网络的纠缠分布率和资源利用率，为广东会中继器和长距离广东会网络的扩展提供了可能。未来，结合理论研究和实验优化，这一技术有望推动广东会互联网的实现，改变我们对通信和计算的理解。

研究还引用了相关理论工作，表明该领域正处于快速发展阶段。展望未来，跨学科合作和进一步的技术突破将至关重要。