量子メモリの記録的なエンタングルメントを達成 (Quantum physics: record entanglement of quantum memories)

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2022-07-06 ドイツ連邦共和国・ミュンヘン大学(LMU)

・ LMU とザールランド大学が、33 km の光ファイバーケーブルでの原子 2 個による量子メモリのエンタングルメント(もつれ状態)の創出に成功。
・ 放出された光子の波長を従来の電気通信で使用される波長帯に変換することで、光子の損失を大幅に低減しながら長距離の光ファイバーケーブルで量子メモリのもつれ状態を実現した。
・ 量子ネットワークは、一般的に原子、イオンや結晶欠陥等の量子メモリの個々のノード(中継点)で構成され、各ノードで量子状態の受信、記憶、送信が可能。ノード間の仲介は、空気中または光ファイバーでの光子の交換で実行される。
・ 光捕捉した 2 個のルビジウム原子を用い、LMU キャンパス内の 2 ヶ所の研究室を 700m(スプールにファイバーを追加して 33km に延長)の光ファイバーケーブルでつないて実験を実施した。
・ レーザーパルスで励起された原子は、光子を放出して基底状態に戻るが、原子のスピンは角運動量を保持し、放出した光子の分極ともつれ状態を創出する。
・ 量子メモリが放出する可視光・近赤外波長領域の光は数 km で消失してしまうため、2 台の周波数変換器を利用して元の 780nm の波長を(光伝送で損失の最も少ない約 1,550nm の通信波長帯に近い)1,517nm に増幅した。また、量子もつれの要件である、光子に記憶した情報の品質を高度に保持した。
・ 最も長距離の電気通信ファイバーにおける量子もつれの達成であり、大規模な量子ネットワークの構築や安全な量子通信プロトコルでの利用が期待できる、既存の光ファイバーインフラを利用した量子インターネットの実現に向けた重要な一歩となる。
URL: https://www.lmu.de/en/newsroom/news-overview/news/quantum-physics-record-entanglement-of-quantum-memories.html

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Nature 掲載論文(フルテキスト)
Entangling single atoms over 33?km telecom fibre
URL: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04764-4

Abstract

Quantum networks promise to provide the infrastructure for many disruptive applications, such as efficient long-distance quantum communication and distributed quantum computing1,2. Central to these networks is the ability to distribute entanglement between distant nodes using photonic channels. Initially developed for quantum teleportation3,4 and loophole-free tests of Bell’s inequality5,6, recently, entanglement distribution has also been achieved over telecom fibres and analysed retrospectively7,8. Yet, to fully use entanglement over long-distance quantum network links it is mandatory to know it is available at the nodes before the entangled state decays. Here we demonstrate heralded entanglement between two independently trapped single rubidium atoms generated over fibre links with a length up to 33 km. For this, we generate atom–photon entanglement in two nodes located in buildings 400 m line-of-sight apart and to overcome high-attenuation losses in the fibres convert the photons to telecom wavelength using polarization-preserving quantum frequency conversion9. The long fibres guide the photons to a Bell-state measurement setup in which a successful photonic projection measurement heralds the entanglement of the atoms10. Our results show the feasibility of entanglement distribution over telecom fibre links useful, for example, for device-independent quantum key distribution11,12,13 and quantum repeater protocols. The presented work represents an important step towards the realization of large-scale quantum network links.

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