全球首例！仅一根光纤，美国创下量子网络的时钟同步精度记录
6月27日，美国能源部(DOE)下属费米实验室和阿贡国家实验室联合宣布，伊利诺伊快速量子网络（IEQNET）的一个研究团队已经成功在两个国家实验室之间使用本地光纤部署了一个长距离量子网络。
研究人员首次在同一根光纤上同时传递量子信号和经典时钟信号并实现高精度时钟同步，展示了经典信号与量子信号的共存能力。
该网络的同步非常精确：位于两地的时钟仅有5皮秒（1皮秒是一万亿分之一秒）的时间差。这样的精度将使科学家能够准确地识别和操纵纠缠的光子对，以支持现实世界中城域距离的量子网络操作。
IEQNET的合作伙伴包括DOE的费米国家加速器实验室和阿贡国家实验室、西北大学和加州理工学院。这一实验的成功部分源于其成员涵盖计算架构的广度，从经典和量子到混合计算。
“两个国家实验室相距50公里，在具有这种共享技术能力和专业知识的量子网络上开展工作，并不是一件简单事。”费米实验室量子科学项目负责人、该项目的首席研究员Panagiotis Spentzouris说，“这个非常困难和复杂的问题需要一个多元化的团队来解决。”他们共同表明，量子和经典信号有可能在同一网络光纤上共存并同步传输，无论是在城域规模的距离还是现实世界的条件下。
研究人员表示，经典计算网络已经足够复杂；将量子网络引入其中，会大大改变游戏规则。
经典计算机执行同步操作时依赖“网络时间协议”——这个协议在携带信息的同一网络上分配一个时钟信号，其精度比一眨眼的时间快一百万倍。使用量子计算，所需的精度就更高了：为了确保他们得到一对纠缠在一起的光子，研究人员必须产生大量的量子编码光子；知道哪些光子对是纠缠在一起的，就是同步性的体现。
研究人员使用类似的时钟信号来同步费米实验室-阿贡网络中每个目的地或节点的时钟。精密电子设备根据已知因素（距离、速度、温度变化、光纤中环境干扰等）来调整这个时钟信号。
由于他们在两个实验室之间只有两条光纤，研究人员不得不在携带纠缠光子的同一根光纤上发送时钟信号，使用不同的波长将时钟信号与量子信号分开。最终，通过适当分配和控制，时钟信号和光子从费米实验室的源分发；当光子到达每个地点时，使用阿贡的超导纳米线单光子探测器进行测量和记录。
如下图所示，他们在费米实验室和阿贡的两个时钟之间同时传输了一个经典时钟信号（蓝色）和一个量子信号（橙色）。结果表明，两个时钟在小于5皮秒或5万亿分之一秒的时间内保持同步。
为了测试两个“时钟”（clock）的同步性（一个在阿贡，一个在费米实验室），科学家在两个时钟之间同时传输了一个经典时钟信号（蓝色）和一个量子信号（橙色），这些信号是通过伊利诺伊快速量子网络发送。研究人员发现，两个时钟在小于5皮秒或5万亿分之一秒的时间内保持同步。
阿贡计算机科学家和项目组成员Rajkumar Kettimuthu说：“为量子和经典同步信号选择适当的波长对于最大限度地减少影响量子信息的干扰非常重要。打个比方，光纤是一条路，而波长是车道。光子是一个骑自行车的人，而时钟是一辆卡车。如果我们不小心，卡车就会跨入自行车道。因此，我们进行了大量的实验，以确保卡车留在其车道上。”
加州理工学院研究员和IEQNET团队成员Raju Valivarthi说：“我们使用现有的技术显示了创纪录的同步水平，该技术依赖于编码在光上的射频信号。我们在加州理工学院建立并测试了该系统，IEQNET的实验证明了它在连接两个主要国家实验室的现实世界光纤网络中的准备情况和能力。”
在这一成就的基础上，IEQNET团队正准备新的实验来证明纠缠交换。这个过程可以使来自不同纠缠对的光子间纠缠，从而创造更长的量子通信通道。
Spentzouris说：“这是第一次在现实条件下演示使用真实光纤来实现这种极佳的同步精度以及与量子信息共存的能力，这一创纪录的性能是建设实用多节点量子网络的重要一步。”
该项目通过美国能源部科学办公室的先进科学计算研究计划资助。
参考链接：
https://news.fnal.gov/2022/06/quantum-network-between-two-national-labs-achieves-record-synch/