光与物质量子关联在时间复用固态量子存储器阵列中的分布
Distribution of light-matter quantum correlations with a temporally multiplexed solid-state quantum memory array
- ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（ICFO-光子科学研究所，巴塞罗那科技研究所）
- ICREA, Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avançats（ICREA，加泰罗尼亚研究与高级研究学院）
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AI总结：
本研究利用时间复用固态量子存储器阵列，结合空间与时间复用，在39.1公里光纤上实现了电信光子与多达60个时空模式的量子关联，将相关电信光子检测速率提升60倍，为长距离量子网络奠定基础。
AI中文摘要：
复用量子存储器通过利用多个自由度的存储，提高了长距离量子中继器架构中的纠缠分布速率。在此，我们报告了使用时间复用固态量子存储器阵列分布光与物质量子关联的研究。我们利用完整的原子频率梳协议，在Pr$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$晶体中按顺序将电信波段 heralded 单光子存储在多达十个存储单元中，并支持按需读出。通过结合空间和时间复用，我们展示了电信光子与量子存储器阵列多达60个时空模式之间的量子关联。随后，我们将 heralding 电信光子通过巴塞罗那大都市区39.1公里的已部署光纤进行传输。在生成速率受双向通信时间限制的现实场景中，我们表明，在$393 \u03bcs$的往返通信时间内，多达15%的时间被通信试验所填充，与单模存储器相比，与量子存储器阵列相关的检测到的电信光子速率提高了60倍。随着存储时间和效率的提高，我们的复用量子存储器阵列将构成长距离量子网络的骨干，以高速率建立远程纠缠。
英文摘要：
Multiplexed quantum memories increase the entanglement distribution rate in long-distance quantum repeater architectures by harnessing storage in several degrees of freedom. Here, we report on the distribution of light-matter quantum correlations using an array of time-multiplexed solid-state quantum memories. We store telecom-heralded single photons sequentially in up to ten memory cells using the full atomic frequency comb protocol with on-demand read-out in a Pr$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$ crystal. Leveraging both spatial and temporal multiplexing, we demonstrate quantum correlations between the telecom photon and up to 60 spatio-temporal modes of the quantum memory array. We then transmit the heralding telecom photon over 39.1 km of deployed optical fiber in the Metropolitan Area of Barcelona. In a realistic scenario where the generation rate is limited by the two-way communication time, we show that up to 15 % of the $393 μs$ round-trip communication time is filled with communication trials, leading to a 60-fold enhancement in the rate of detected telecom photons correlated with the quantum memory array, compared to a single-mode memory. With increased storage times and efficiencies, our multiplexed quantum memory array will constitute the backbone of a long-distance quantum network, establishing remote entanglement at high rates.
