四量子比特纠缠在29公里光纤中实现传输

研究人员首次成功地在29公里的光纤上传输了四量子比特簇态，克服了此前限制此类传输的指数级光子损耗。该团队利用参量产生过程的相干控制直接生成了纠缠态，消除了对资源密集型受控相位门的需要。为了处理该状态，他们引入了一项新技术——啁啾脉冲调制，通过可重构的傅里叶域脉冲整形实现时间箱的分束；这种方法建立了与现有电信基础设施完全兼容的复杂量子资源。

多级时间箱编码用于光纤传输

多级编码实现了簇态在29公里部分部署光纤中的首次传输，规避了多光子编码方案固有的局限性。这种方法通过将多个量子比特编码到单个光子上，避免了光损耗随光子数呈指数级增长的问题，这是长距离量子通信的一个关键障碍。这项工作展示了为未来依赖纠缠和叠加的电信网络分发复杂量子资源的可靠路径。

实验装置使用啁啾脉冲调制来操纵不同时间尺度的时间箱，这是处理量子态的一项基本技术。通过簇态见证者（witness）和单向计算原语验证了传输的状态，确认了量子信息的完整性。理论分析支撑了实验设计和数据解释，确保了研究结果的可靠性。

部分部署的光纤链路结合额外的衰减，被刻意用于探测传输速率随距离的变化，为未来的网络优化提供了宝贵数据。这种资源高效的方案结合多级编码，代表了对以往受限于后选择要求和指数级损耗方法的改进。

通过参量过程产生四量子比特簇态

该团队通过相干控制二次谐波产生和自发参量下转换实现了这一目标，并由电信波长下的四个精确计时的相干脉冲激发。

这种方法利用400 MHz的重复频率，使用电光振幅调制器从连续波激光器中刻画出必要的脉冲定时。为了创建簇态，电光相位调制器对第四个激发脉冲施加了 π/2 的相位偏移，直接将所需的相位关系印刻到生成的量子态上。

这与以往依赖超纠缠态及随后受控相位门操作的方法形成鲜明对比，后者会引入光损耗和实验复杂性。通过将相位操作转移到激发脉冲上，研究人员减少了损耗并简化了实验装置，这是未来量子网络部署的关键考虑因素。最终生成的态利用多级时间箱在两个光子中编码量子比特，这种技术提高了效率。

实验验证包括认证真实的多量子比特纠缠，并在传输的簇态上演示单向计算原语。该团队在周期性极化铌酸锂波导中使用级联二次谐波产生和自发参量下转换来产生时间箱纠缠光子对。团队的研究结果展示了簇态在没有额外衰减的情况下通过29.5公里的光纤传输，这是迈向实用量子通信网络的关键一步。

“这种方法将相位操作从光子对转移到相干激发脉冲上，减少了量子态的光损耗和实验复杂性，”研究人员表示，并强调了他们方法的优势。这项工作通过简化状态生成和减少资源需求，为可扩展的量子通信建立了一条路径。

纠缠光子的29km光纤传输

该团队的方法使用多级编码，将多个量子比特编码到单个光子中，以规避通常与多光子编码中增加光子数相关的指数级损耗。簇态的处理和分析在两个相同的装置中分别针对信号光子和闲置光子进行，这两个装置被命名为 Processing Node An 和 Processing Node B。该团队的工作建立在利用现有电信基础设施构建量子网络的最新进展基础上，使用单模光纤促进稳健的量子态传输，这种方法已被用于在数百公里的距离上分发纠缠光子，用于量子密钥分发等应用。