量子网络新突破：首次实现两个离子量子比特的长距离纠缠

光子盒研究院出品

俘获离子以前只在同一个实验室中被纠缠。现在，由来自因斯布鲁克大学的Tracy Northup和Ben Lanyon领导的团队已经在230米的距离上纠缠了两个离子[1]：实现了两个钙离子的长距离纠缠，每个钙离子都位于不同的建筑中，这表明俘获离子可以用来创建量子网络。最新成果已发表在《物理评论快报》上[2]。

光腔诱捕原子，光纤发送实现纠缠

双节点的量子网络。(a) 卫星图像。节点A和B位于不同的建筑物内，通过520(2)米的光纤连接，视线间隔为230米。(b) 节点由一个离子、一个线性Paul捕集器（四个黄色电极）和一个由两个镜子组成的腔体组成。PBSM装置包含一个分束器（BS），偏振分束器（PBS）和光子探测器。(c) Ca离子的能级图谱。

这个网络的节点被安置在奥地利因斯布鲁克的两个实验室里。该实验表明，捕获离子是未来跨越城市和最终跨越大陆的量子网络的一个有前途的平台。

俘获离子是构建量子计算机和其他量子技术的主要系统之一。为了连接多个这样的量子系统，需要有接口，通过这些接口可以传输量子信息。

近年来，由因斯布鲁克大学实验物理系的Northup-Lanyon团队开发了一种方法，通过在光腔中诱捕原子，使量子信息可以有效地转移到光粒子上。对于每个量子比特，他们使用双波长激光器激发离子，促使离子发射出一个光子。光子的偏振取决于离子吸收了两个激光波长中的哪一个，使光子与离子的最终状态纠缠在一起。为了纠缠这两个离子，研究小组随后将光子从一个离子通过510米长的光纤传输到另一个离子附近的分光器，在那里两个光子发生了互动。当研究人员随后检测到一对具有特定单独偏振的光子时，即成功地实现了纠缠。

研究人员说，他们对光腔的使用是实现长距离纠缠的一个关键因素，因为它使他们能够有效地产生光子。此外，与以前的俘获离子实验不同，他们使用独立的控制系统操纵两个量子比特，这表明他们可以克服时间、频率和相位稳定的挑战，这些挑战可能会影响现实世界的应用。

离子量子比特之间的纠缠。

俘获离子：建立分布式量子网络的平台

这两个量子系统被设置在两个实验室里，一个在实验物理系的大楼里，一个在奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的大楼里。

基于俘获离子的量子网络节点

“直到现在，俘获离子只能在同一实验室中的几米范围内相互纠缠。这些结果也是利用共享的控制系统和波长不适合在更远距离上传播的光子实现的。”Lanyon解释说，经过多年的研究和开发，因斯布鲁克的物理学家们现在已经成功地将两个离子纠缠。

“为了做到这一点，我们通过一条500米长的光缆发送与离子纠缠在一起的单个光子，并将它们相互叠加，将纠缠物交换给两个远程离子，Northup在描述该实验时说：“我们的结果表明，俘获离子是实现未来量子计算机、量子传感器和原子钟的分布式网络的一个有希望的平台。”

Lanyon和Northup的团队是量子互联网联盟的一部分，这是欧盟量子旗舰计划下的一个国际项目。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-02-entangle-ions-meter-quantum-network.html

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.050803

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