研究实现量子网络跨节点、散粒噪声极限相位锁定-焦点滚动

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近日，中国科学技术大学潘建伟院士、张强教授等与济南量子技术研究院陈玖朋副研究员等合作，提出一种“多波长联合相位锁定”架构，并结合贝叶斯相位估计，实现了跨节点、达到散粒噪声极限的高精度相位锁定，为可扩展量子网络节点的远程互连提供了关键技术支撑。近日，相关成果发表于《物理评论快报》。

在构建远程量子纠缠时，基于散射光子的单光子干涉方案只需探测单个光子，就能消除路径可分辨性并建立纠缠。相比需要两个光子符合测量的方案，它更能抵抗信道损耗。但这条路有个核心瓶颈：跨节点的高精度相位锁定。一方面，散射光子会“继承”操控激光、变频泵浦光以及长光纤一路累积的复合相位，必须对整条链路统一追踪；另一方面，用来追踪相位的参考光必须非常弱，否则会干扰量子存储态。可光越弱，光子到达的随机涨落越明显。这就是散粒噪声，会限制相位估计的速度和精度。达到散粒噪声极限，意味着在这样弱的光强下，测量精度已经逼近理论允许的最好水平。

针对这些难题，团队基于两个远程单离子节点，搭建了“时分-波分”多波长联合相位演化追踪架构，并发展了实时贝叶斯相位估计技术。贝叶斯估计就像结合先验信息与不断出现的新线索，在极低信噪比下最大化提取有效信息并实时修正判断，从而从很弱的光信号中精确推算出相位变化。在时间上，团队让729纳米（nm）与854nm操控光通过和频产生393nm参考光脉冲，并与离子散射光交替发射；参考光复用操控光的初相位，经历相同的传输信道，还在527nm泵浦下进行量子频率转换，转到1550nm通信波段，从而原位追踪整个系统的复合相位演化。在频率上，引入一束失谐约2nm的1548nm连续弱参考光，实时捕捉并补偿光纤链路的快速抖动。针对微弱参考光带来的统计涨落，团队用FPGA（现场可编程门阵列）实时运行贝叶斯估计，使动态相位解调精度达到散粒噪声极限。

基于上述突破，系统在极低参考光强下，实现了10公里与100公里光纤链路上的跨节点高精度相位锁定。远程单光子干涉可见度均保持在97%以上，纠缠宇称对比度超过85%。这为构建可扩展量子中继、迈向未来量子网络奠定了技术基础。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/cxs1-3pzf

（原标题为《研究实现量子网络跨节点散粒噪声极限相位锁定》）

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