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大规模的量子网络在通信加密传输以及量子计算机等领域具有非常广阔的应用前景。但要想实现这个目标，科学家们必须要解决网络上任意两个或更多用户之间的量子纠缠问题。
据报道，德国慕尼黑大学(LMU)和德国萨尔大学的研究人员在长达 33 公里的光纤隔开的两个量子存储器之间成功通过频率转换建立了具有接近电子通信波长的纠缠链路，在量子网络大规模应用的道路上迈出了重要一步（Nature，doi：10.1038/s41586-022-04764-4）。
量子纠缠是在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的量子现象，如果对其中一个粒子的测量会立即确定另一个粒子的状态，且不受距离的影响。因此，该现象可以作为建立长距离链路的一种理想方式——既能保证量子密钥分发的安全性，也能通过隐形传输发送量子信息。
实现这种链路的一个关键挑战在于克服光纤损耗。因为随着光纤长度的增加，其传播强度会降低，导致我们无法得到想要的传输信号，从而限制了量子通信的传输距离。
正如LMU的Harald Weinfurter和他的同事在最新的研究中指出的那样，用于建立链路的光子波长对纠缠率有很大的影响。在 780 nm 处，平均只有十分之一的光子能够到达2.5km长的光纤的另一端，而在接近1550nm的通信窗口时，这个距离可以达到50km。
图：研究人员通过将每个量子存储器与一个光子纠缠在一起，将两个相隔很远的量子存储器纠缠在一起，将光子转换为近电信波长以进行光纤传输，然后在中心站进行贝尔态测量。
为了证明频率转换产生量子纠缠的前景，Weinfurter 及其同事在 LMU 校园的不同建筑物中设置了两个相距约 400 m 的量子存储器。存储器由铷-87原子制成，在受到纳秒激光脉冲泵浦时，里面的原子会跃迁回基态，并发出780nm 的光子。角动量守恒表明，发射光子的偏振对应其自旋。
德国萨尔大学的Christoph Becher和他的同事负责频率转换。他们将波长780 nm的光子与1607nm的泵浦光混合在一个非线性晶体中，根据光学非线性效应可产生波长1517nm的光子。被激发光子的偏振态被保留，然后这些粒子沿着光纤传输到中心站，之后贝尔状态测量将纠缠从原子 - 光子对交换到两个原子，成功的量子纠缠被发送回两个存储器的信号“预示” 节点。
通过在光子路径中添加缠绕光纤，研究人员能够在 6 公里到 33 公里之间改变路径长度。 他们发现，在所有距离内，保真度都保持在 0.5 以上，这意味着可以在任意一种情况子下产生纠缠态，尽管保真度会随着距离的增加而下降（从 6 公里的 0.83 下降到 33 公里的 0.62）。
LMU 的 Tim van Leent 和 Pooja Malik 在论文随附的研究简报中写道：“我们的结果表明，量子频率转换器可用于构建大规模量子网络，该实验装置提供了一个可实现安全量子通信协议的平台。”
研究人员表示，距离量子网络的实际应用，还有很长的路要走。他们特别指出，该装置目前的效率非常低。任何给定的量子纠缠尝试成功的几率很小，而预测所需的时间有限，这意味着他们平均每85秒就能成功产生33公里以上的纠缠原子对。鉴于量子存储器通常保持相干的时间不到一毫秒，它们能够提供纠缠态的时间不超过 105 分之一。
正如他们所指出的那样，当涉及到实现量子中继器时，这是一个特殊的问题。该设备通过建立多个单独的链路，然后将量子纠缠交换到越来越远的距离来扩展通信方之间的距离。
团队也提出了一些提高效率的潜在途径。其中包括增加量子存储器的相干时间，使用光腔来改善原子发射光子的收集，以及运行单原子存储器阵列以同时进行多次纠缠尝试。他们表示，上述解决方案虽然都不是很容易实现，但也不存在什么根本障碍。 Becher 认为，掌握这项技术“更多的是金钱和劳动力的问题。”
