使用晶体中掺杂稀土离子制造而成的量子中继器能够实现安全的长距离量子通信。

演示图：研究人员已经使用掺杂稀土离子的晶体实现了DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继协议。该系统提前标记了原子频率梳，使得仅有特定的离子才能发生光学跃迁。晶体中的离子首先用写脉冲（Read）激发（图1），随后跃迁到较低的能级，并发射光子（图2）。在经过了存储时间后，读脉冲（Write）重新激发离子（图3），并发射光子（图4）。当研究人员从写入和读取过程中分别测量单个光子时，他们发现量子信息通过量子关联从离子中的激发态转移到了光子态中。图片由美国物理学会Alan Stonebraker提供。

量子安全通信依赖于量子之间共享的纠缠态。在短距离（小于100公里）通信时，可以通过光纤发送光子来分配这些纠缠态，但是这些光纤的损耗限制了长距离的量子通信。有一种解决方案是沿着光纤每隔一段距离使用“量子中继器”。这些装置可以将量子信息存储在物质的激发态中。两个相距较近的中继器的激发态可以通过光子发射来产生量子纠缠。这一方法能够可靠地将相距很远的中继器的量子态纠缠在一起，甚至能够连接两块大陆的量子通信。以前的中继器主要使用的是气体，但固态的中继器更容易与现有的光网络耦合。研究人员设计了三个新实验证明了使用掺杂稀土离子晶体中继器的可行性。三个实验分别显示了光子间的量子关联和晶体内掺杂离子的激发。这是为量子通信全球网络开发固态量子中继器的重要一步。

量子纠缠是量子加密技术避免黑客攻击的关键因素。这是因为任何对量子信号的测量都将降低量子纠缠态之间的量子关联，从而引发安全警报。然而，量子纠缠态的脆弱性使其不可能在如今数千公里的光纤网络上始终保持纠缠态。2001年，研究人员提出将光纤网络分割成多段较短的部分——即DLCZ协议（以发明者Lu-Ming Duan，Mikhail Lukin，Ignacio Cirac和Peter Zoller的名字命名），在光纤链路上每百公里安装的量子中继器之间产生量子纠缠。这些中继器首先被强激光脉冲激发，干涉两个附近的中继器使其发射单个光子，并与光子激发态产生量子纠缠。然而，这种干涉并不总是稳定的，可能需要多次尝试。因此，中继器必须能够将初始脉冲中的量子信息存储较长时间。

DLCZ协议大多依赖于钠或铷等碱金属原子中被激光冷却的电子云，它们具有极强烈的光学跃迁（从钠灯明亮的橙色光芒中可以看出）。然而在2009年，瑞士日内瓦大学的Hugues de Riedmatten、Nicolas Gisin和来自巴塞罗那光电子学研究所（ICFO）的Mikael Afzelius提出了一种利用掺铒和镨等稀土离子的晶体中的光学跃迁来存储光信息的方法。目前该方案正在实验中。

稀土离子具有一些特殊的化学特性——其满壳层内仍具有未被电子填满的轨道，这使其能够屏蔽晶体原子的强电场。因此，掺杂离子的光学跃迁和气体中的自由原子同样困难。但是，晶体的剩余相互作用使得每个离子的跃迁频率不同，从而所有稀土离子的跃迁光谱将变宽。并且，虽然光学跃迁很难发生，但是由于晶体的扰动，跃迁仍然会以极低的速率进行，因此必须将入射光调谐到跃迁的共振频率附近，以增加掺杂离子吸收并存储光子的可能性。然而，离子的共振激发与谱线强烈的非均匀增宽将导致量子纠缠迅速失去同步，这种相位丢失意味着中继器中存储的信息也将丢失。

如本文最开始所述，避免相位丢失的方法是将离子光谱标记为原子频率梳（AFC）。在该方法中，激光将这些掺杂离子的跃迁频率切割成类似梳齿的间隔。如果对频率间隔为δ的掺杂离子用另一束光脉冲共振激发，这些离子将丢失相位。但是由于不同频率之间存在差拍，在τ=2π/δ的时间延迟之后，离子的相位将重新同步。这种“原子频率梳反射法”不仅能够检测由共振激发产生的量子关联，从而避免了跃迁速率低的问题，而且它具有能够独立存储量子态的多个时间模式的优点。为了解释这一点，我们可以想象一个脉冲在时间T激发了离子，然后在经过了极短的时间后，另一个脉冲在时间T+ΔT激发了它们，其中ΔT<τ。当存储的信息被恢复时，离子将两个脉冲记录为两个不同的时间模式，每个模式均具有对应的回波。实验表明，单个掺杂晶体中能够包含十几个时间模式。

对于上述方法，日内瓦研究团队在钇原硅酸盐晶体中使用铕作为掺杂剂。巴塞罗那光电子学研究所使用了相同的晶体，但使用的掺杂剂是镨。激光产生AFC光谱后，研究人员用写脉冲激发了掺杂离子（见图1）。被激发的离子发射光子，并在量子中继网络中将发射晶体与另一晶体的量子态产生纠缠。这一简单的演示，足以证明所发射的光子与晶体中被激发的离子存在量子关联。为此，研究团队使用读脉冲重新激发离子，并分别测量了在写脉冲后和读脉冲后检测到单个光子的概率。他们发现这种概率比任何经典理论所预测的都高，这意味着离子发射与其量子态有关。

掺杂离子受激发射的光子处于可见光波长范围，但是离子出射光子的生成方式有可能不同。巴塞罗那光电子学研究所最初制造了一对纠缠态光子——一个处在可见光波长，另一个处在用于光纤通信的红外波长。研究人员利用可见光子激发其掺杂晶体，这表明着红外光子也与离子激发相关。这一研究还表明了在现有光纤网络兼容的波长下使用该方案的可行性。

以上的研究结果代表了这些研究团队近十年的工作结果，他们对光抽运、极化编码、相干控制和提高光效率做出了巨大贡献。

虽然这一研究结果标志着量子通信的一个重要里程碑，但是在减小噪声和光损耗、增加存储寿命等方面仍然有大量的问题亟待解决。与此同时，其他通信技术正在不断取得进展：冷原子系统已经处于原型阶段，一些研究团队正在开发不需要原子捕获的低温水汽DLCZ存储器。此外，研究人员正在开发化学计量稀土元素晶体，其中离子将形成晶体化学结构的一部分，这消除了晶体的不均匀性并提高了稀土离子密度，为解决低跃迁速率和谱线增宽提供了解决办法。然而，日内瓦和巴塞罗那研究团队的工作表明，掺杂稀土离子的晶体仍然是未来量子安全通信网络最有前景的解决方案。

这项研究已发表在《物理评论快报》和《物理评论X》。

来源： https://physics.aps.org/articles/v10/55

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