量子互联网原型测试在纽约市进行了半个月的部分进展情况

要将量子网络引入市场，工程师们必须克服光纤中纠缠态的脆弱性，并确保信号传输的效率。现在，位于纽约布鲁克林的 Qunnect 公司的科学家们向前迈出了一大步，在纽约市的街道下运行了这样一个网络。

虽然以前也有人传输过纠缠光子，但光纤环境中的噪声和偏振漂移太多，纠缠无法存活，尤其是在长期稳定的网络中。

Qunnect 公司联合创始人兼首席科学官 Mehdi Namazi 说：“这正是我们的工作发挥作用的地方。”该团队的网络设计、方法和结果发表在《PRX Quantum》上。

在原型网络中，Qunnect 的研究人员使用了一条被称为 GothamQ loop 的 34 公里长的租赁光纤线路。利用偏振纠缠光子，他们连续运行了 15 天，实现了 99.84% 的正常运行时间和 99% 的纠缠光子对补偿保真度，纠缠光子对的传输速率约为每秒 20000 个。在每秒传输 50 万个纠缠光子对时，保真度仍接近 90%。

图 1：纠缠分布实验的实验装置。背景显示了 GothamQ 光纤的路径。左上（右下）图显示光子进入（流出） GothamQ 光纤之前的实验装置。PBS，偏振分束器；DM，二向色镜；BPF，带通滤波器；LCR，液晶延迟器；HWP，半波片；L，透镜；LP，线性偏振器；AOM，声光调制器；FPC，光纤偏振补偿器；OS，光开关；SPAD，单光子雪崩探测器；SNSPD，超导纳米线单光子探测器。资料来源：Alexander N. Craddock, Anne Lazenby, Gabriel Bello Portmann 等人，《Automated Distribution of Polarization-Entangled Photons Using Deployed New York City Fibers》，《PRX Quantum》（2024）。

光子的偏振是其电场的方向。偏振光子非常有用，因为它们易于产生，操作简单（使用偏振滤光镜），而且易于测量。

近年来，偏振纠缠光子已被用于构建大规模量子中继器、分布式量子计算和分布式量子传感网络。量子纠缠是 2022 年诺贝尔物理学奖的主题，它是一种奇特的量子现象，在这种现象中，量子态中的粒子具有一种联系，有时是一种长距离的联系，这样，测量其中一个粒子的特性就会自动确定与之纠缠的其他粒子的特性。

在他们的设计中，波长为 1324nm 的红外光子与波长为 795nm 的近红外光子纠缠在一起。后一种光子在波长和带宽上与铷原子系统兼容，如量子存储器和量子处理器中使用的铷原子系统。研究发现，偏振漂移既与波长有关，也与时间有关，这就要求 Qunnect 公司在相同波长下设计和制造主动补偿设备。

为了产生这些纠缠的双色光子对，特定波长的耦合输入光束被送入一个富含 Rb-78 的蒸气池中，蒸气池中的铷原子，导致外层电子通过 5p 轨道向 6s 轨道转变两次。

在这种双重激发状态下，有时会发射出波长为 1324nm 的光子，随后的电子衰变又会产生另一个波长为 795nm 的光子。他们通过光纤发送了量子叠加的 1324nm 偏振纠缠光子对，其中一个状态的两个偏振都是水平的，另一个状态的两个偏振都是垂直的--这种双量子比特配置通常被称为贝尔态。在这种叠加中，量子力学光子对同时处于两种状态。

然而，在光缆中，这种光子系统更容易受到光缆振动、弯曲以及压力和温度波动对其偏振的干扰，因此需要经常重新校准。由于这些类型的干扰几乎无法检测和隔离，更不用说缓解了，因此 Qunnect 团队建立了自动偏振补偿 (APC) 设备来对其进行电子补偿。

图 2：“瞬时 ”光纤偏振色散测量。每幅图的图例都标明了用于测量的 GothamQ 光纤的数量。资料来源：Alexander N. Craddock, Anne Lazenby, Gabriel Bello Portmann 等人，《Automated Distribution of Polarization-Entangled Photons Using Deployed New York City Fibers》，《PRX Quantum》（2024）。

通过向光纤发送已知偏振的 1324nm 经典光子对（而非纠缠光子对），他们可以测量其偏振漂移或偏振改变的程度。通过在布鲁克林和皇后区街道下的大都市环路上发送经典光子零次、一次、两次或三次，在零公里、34 公里、69 公里和 102 公里这四种传输距离上测量了偏振漂移。然后，他们使用 APC 纠正纠缠对的偏振。

图 3：长期可用性测量的结果。资料来源：Alexander N. Craddock, Anne Lazenby, Gabriel Bello Portmann 等人，《Automated Distribution of Polarization-Entangled Photons Using Deployed New York City Fibers》，《PRX Quantum》（2024）。

Qunnect 公司的 GothamQ 环路演示因其持续时间、操作时间的不依赖性及其正常运行时间百分比而特别值得关注。他们写道：这表明向量子互联网所需的全自动实用纠缠网络迈进。Namazi 说：“自从我们完成这项工作后，我们已经把所有部件都安装到了机架上，这样称之为 Qu-Val 的组合设备就可以在任何地方使用了。”

Qunnect 公司的 Qu-Val 设备，包括纠缠源、自动偏振补偿器和测量装置。图片来源：Qunnect 公司的 Mehdi Namazi。