图片说明：纽约市各行政区下的 GothamQ 网络地图。图片来源：物理杂志通过 APS

为了将量子网络推向市场，工程师必须克服光缆中纠缠态的脆弱性，并确保信号传输的效率。现在，位于纽约布鲁克林的 Qunnect Inc. 的科学家们通过在纽约市的街道下运营这样一个网络，向前迈出了一大步。

虽然其他人以前已经传输了纠缠光子，但光纤环境中存在太多的噪声和偏振漂移，纠缠无法生存，尤其是在长期稳定的网络中。

“这就是我们工作发挥作用的地方，”Qunnect 的联合创始人兼首席科学官 Mehdi Namazi 说。该团队的网络设计、方法和结果都发表在 PRX Quantum 上。

对于他们的原型网络，Qunnect 研究人员使用了一条租用的 34 公里长的光纤电路，他们称之为 GothamQ 环路。他们使用偏振纠缠光子连续运行环路 15 天，实现了 99.84% 的正常运行时间和 99% 的纠缠光子对的补偿保真度，传输速率约为每秒 20,000 个。在每秒五十万个纠缠光子对的情况下，保真度仍然接近 90%。

光子的极化是其电场的方向。（这在光的波动图片中可能更容易理解。您可能熟悉偏光太阳镜的现象，偏光太阳镜是一种滤光片，可以让来自一个偏振方向的光线通过，但会阻挡其他偏振方向的光线，从而减少水、雪和玻璃等反射的眩光。

偏振光子很有用，因为它们易于创建、易于操作（使用偏振滤光片）和测量。

Qunnect 的 Qu-Val 设备，由纠缠源、自动极化补偿器和测量装置组成。图片来源：Qunnect 的 Mehdi Namazi

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，是一种奇特的量子现象，其中量子态内的粒子有一个连接，有时是长距离连接，因此测量一个粒子的属性会自动确定与之纠缠的其他粒子的属性。

在他们的设计中，波长为 1,324 纳米的红外光子与 795 纳米的近红外光子纠缠在一起。后者光子在波长和带宽上与铷原子系统兼容，例如用于量子存储器和量子处理器的系统。结果发现，偏振漂移与波长和时间有关，因此需要 Qunnect 设计和制造相同波长的有源补偿设备。

为了产生这些纠缠的双色光子对，某些波长的耦合输入光束通过富含铷 78 的蒸汽室发送，在那里它们激发了细胞内的铷原子，导致外电子跃迁两次，通过 5p 轨道到 6s 轨道。

从这种双激发态有时会发射出一个 1,324 nm 的光子，随后的电子衰变会产生另一个 795 nm 的光子。

他们通过光纤以量子叠加形式发送 1,324 nm 偏振纠缠光子对，一种状态的两极化水平，另一种状态两极化都垂直，这种双量子比特配置通常称为贝尔态。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电缆中振动、弯曲以及压力和温度波动的偏振干扰，并且可能需要频繁地重新校准。由于这些类型的干扰几乎不可能检测和隔离，更不用说减轻了，因此 Qunnect 团队构建了自动极化补偿 （APC） 设备来对它们进行电子补偿。

通过沿光纤发送具有已知偏振的 1,324 nm 经典而非纠缠光子对，他们可以测量其偏振漂移或被修改的程度。通过在布鲁克林和皇后区街道下的大都会环路周围发送经典光子 0 公里、1 公里、2 公里或 3 次，在四个传输距离（零、34、69 和 102 公里）处测量偏振漂移。然后，他们使用 APC 来校正纠缠对的极化。

Qunnect 的 GothamQ 循环演示因其持续时间、操作时间的免干预性质以及正常运行时间百分比而特别值得注意。他们写道，它表明了量子互联网所需的“朝着全自动实用纠缠网络迈进的进展”。Namazi 说：“自从我们完成这项工作以来，我们已经将所有部件都安装在机架上，因此它们可以在任何地方使用”——他们称之为 Qu-Val 的组合设备。

更多信息：Alexander N. Craddock 等人，使用部署的纽约市光纤自动分配偏振纠缠光子，PRX Quantum（2024 年）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.030330

期刊信息： PRX Quantum