DOI: https://doi.org/10.1063/5.0308068
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Takuma Nakamura وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في استخدام الألياف متعددة النوى (MCF) لتعايش الضوء الكمي والضوء الكلاسيكي في الشبكات الكمية، مما يعالج تحديًا كبيرًا في هذا المجال. من خلال استخدام MCF مكونة من 7 نوى، تُظهر الدراسة الفصل الفعال بين الضوء الكمي وضوء التثبيت عبر نوى مختلفة، محققةً اهتزازًا متكاملًا ملحوظًا قدره 100 أتوثانية على نواة واحدة من خلال معلومات الطور المستمدة من نواة أخرى. على مسافة 40 كم، حافظ النظام على معدل فوتونات شاذ منخفض قدره 0.01 فوتون/ثانية فقط ضمن نطاق ترددي يبلغ 100 جيجاهرتز، مما يسهل ذلك عزلًا بصريًا قدره 40 ديسيبل بين النوى وقوة مُطلقة منخفضة للتثبيت.
تشير النتائج إلى أن تكوين MCF يسمح بدورة تشغيل 100% على القناة الكمية مع ضمان تثبيت خالٍ من انزلاق الدورة على مدى فترات طويلة، مع اهتزاز زمني دون الفمتوثانية لأوقات متوسط تصل إلى حوالي 1000 ثانية. تمثل هذه العمل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال، حيث تُعد الدراسة الشاملة الأولى لتزاوج فوتونات رامان الشاذة في MCF وتظهر إمكاناتها كحل قوي للشبكات الكمية فائقة الاستقرار. تدعو النتائج بقوة إلى تطبيق MCF في تحقيق أنظمة اتصالات كمية عالية الدقة.
مقدمة
تتناول مقدمة الورقة التحديات المتعلقة بتعايش الضوء الكمي والضوء الكلاسيكي في الألياف البصرية، وهو أمر حاسم لتنفيذ الشبكات الكمية. يتطلب تحقيق التزامن على مستوى الفمتوثانية أن يترافق الضوء الكلاسيكي مع الضوء الكمي في نفس الألياف، حيث إن أزواج الألياف المنفصلة لا تحافظ على الارتباط الضروري للضوضاء الزمنية. تناقش الورقة الصعوبات التي تطرحها كل من الاقتران المباشر وغير المباشر للضوء الكلاسيكي في القناة الكمية، وخاصة من خلال تشتت رامان العفوي، الذي يقدم ضوضاء يمكن أن تضعف دقة الإشارات الكمية.
لتخفيف هذه القضايا، يستكشف المؤلفون استخدام الألياف متعددة النوى (MCF) كحل يسمح بالفصل الفيزيائي بين القنوات الكمية والكلاسيكية مع الاستفادة من الارتباط العالي للضوضاء بين النوى. يمكّن هذا التكوين من التزامن الفعال مع الحد الأدنى من اهتزاز الزمن. تقدم الورقة نتائج تجريبية تُظهر أنه باستخدام ألياف مكونة من 7 نوى مرتبطة بشكل ضعيف، يمكن تقليل اهتزاز الزمن المتكامل على القناة الكمية إلى 400 أتوثانية، وأقل من ذلك عند أخذ ضوضاء الليزر في الاعتبار. بالإضافة إلى ذلك، يُبلغ المؤلفون عن تقليل كبير في عدد فوتونات رامان المتناثرة التي تدخل القناة الكمية، محققين مستويات قابلة للمقارنة مع معدل العد المظلم لكواشف الفوتونات المفردة المتقدمة. يبرز هذا العمل إمكانات تقنية MCF لتسهيل الشبكات الكمية عالية الدقة مع دورات تشغيل مثالية.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تحليلًا مفصلًا لضوضاء الطور والاستقرار على المدى الطويل لنظام الألياف متعددة النوى (MCF) المصمم لتعايش قنوات الضوء الكمي والكلاسيكي. باستخدام MCF بطول 40 كم مع سبع نوى مستقلة، تركز الدراسة على نواتين محددتين، النواة-2 للقناة الكمية والنواة-7 للتثبيت، تم اختيارها بسبب ارتباطها العالي بالضوضاء. يتضمن الإعداد التجريبي ضوء ليزر مثبت في تجويف عند 1542 نانومتر، مع انزياح قدره 8 نانومتر لتقليل الاقتران المباشر وتعزيز ارتباط الضوضاء. تُظهر النتائج أنه بينما يقلل تثبيت النواة-7 ضوضاء الطور بشكل كبير بحوالي 40 ديسيبل، فإن كبح الضوضاء في النواة-2 محدود بحوالي 20 ديسيبل بسبب الارتباط المحدود بين النوى ومسارات الألياف غير المشتركة. تكشف القياسات على المدى الطويل أن تقلبات الطور في النواة-2 يمكن تقليلها إلى ~25 فمتوثانية عند التثبيت، مع بقاء انحراف الزمن (TDEV) أقل من 1 فمتوثانية لأوقات متوسط تصل إلى عدة مئات من الثواني.
بالإضافة إلى ذلك، يستكشف المؤلفون اقتران فوتونات الضوضاء في القناة الكمية، مقدرين معدل فوتونات شاذة قدره حوالي 8 × 10⁻³ فوتون/ثانية في ظل الظروف المثلى. يُعزى هذا المعدل المنخفض إلى الإدارة الدقيقة للقوة المُطلقة للتثبيت والعزل البصري العالي بين النوى، وهو أمر حاسم للحفاظ على سلامة القناة الكمية. تؤكد النتائج على إمكانات تقنية MCF في تسهيل الشبكات الكمية عالية الدقة، محققة دورة تشغيل 100% واهتزاز زمني دون الفمتوثانية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في مجال الاتصالات الكمية.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0308068
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Takuma Nakamura et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
This research investigates the use of multicore fibers (MCF) for the coexistence of quantum and classical light in quantum networks, addressing a significant challenge in the field. By utilizing a 7-core MCF, the study demonstrates the effective separation of quantum and stabilization light across different cores, achieving a remarkable integrated jitter of 100 attoseconds on one core through phase information derived from another. Over a distance of 40 km, the system maintained a low spurious photon rate of only 0.01 photons/s within a 100 GHz bandwidth, facilitated by 40 dB optical isolation between cores and minimal launched power for stabilization.
The findings indicate that the MCF configuration allows for a 100% duty cycle on the quantum channel while ensuring cycle-slip-free stabilization over extended periods, with sub-femtosecond timing jitter for averaging times up to approximately 1000 seconds. This work represents a significant advancement in the field, marking the first comprehensive study of spurious Raman photon coupling in MCF and showcasing its potential as a robust solution for ultra-stable quantum networks. The results strongly advocate for the application of MCF in achieving high-fidelity quantum communication systems.
Introduction
The introduction of the paper addresses the challenges of co-existing quantum and classical light in optical fibers, which is crucial for the implementation of quantum networks. Achieving synchronization at the femtosecond level requires classical light to co-propagate with quantum light in the same fiber, as separate fiber pairs do not maintain the necessary timing noise correlation. The paper discusses the difficulties posed by both direct and indirect coupling of classical light into the quantum channel, particularly through spontaneous Raman scattering, which introduces noise that can degrade the fidelity of quantum signals.
To mitigate these issues, the authors explore the use of multicore fibers (MCF) as a solution that allows for the physical separation of quantum and classical channels while benefiting from high noise correlation between cores. This configuration enables effective synchronization with minimal timing jitter. The paper presents experimental results demonstrating that using a weakly coupled 7-core fiber, the integrated timing jitter on the quantum channel can be reduced to 400 attoseconds, and even lower when accounting for laser noise. Additionally, the authors report a significant reduction in the number of Raman-scattered photons entering the quantum channel, achieving levels comparable to the dark count rate of advanced single photon detectors. This work highlights the potential of MCF technology to facilitate high-fidelity quantum networks with optimal duty cycles.
Discussion
In this section, the authors present a detailed analysis of the phase noise and long-term stability of a multi-core fiber (MCF) system designed for the coexistence of quantum and classical light channels. Utilizing a 40 km-long MCF with seven independent cores, the study focuses on two specific cores, designated core-2 for the quantum channel and core-7 for stabilization, chosen due to their high noise correlation. The experimental setup includes cavity-stabilized laser light at 1542 nm, with an 8 nm detuning to minimize direct coupling and enhance noise correlation. The results demonstrate that while the stabilization of core-7 significantly reduces phase noise by approximately 40 dB, core-2’s noise suppression is limited to about 20 dB due to finite core-to-core correlation and non-common fiber paths. Long-term measurements reveal that phase fluctuations in core-2 can be reduced to ~25 femtoseconds when stabilized, with a time deviation (TDEV) remaining below 1 femtosecond for averaging times up to several hundred seconds.
Additionally, the authors investigate the coupling of noise photons into the quantum channel, estimating a spurious photon rate of approximately 8 × 10⁻³ photons/s under optimal conditions. This low rate is attributed to the careful management of launched power for stabilization and the high optical isolation between cores, which is crucial for maintaining the integrity of the quantum channel. The findings underscore the potential of MCF technology in facilitating high-fidelity quantum networks, achieving a 100% duty cycle and sub-femtosecond timing jitter, thus marking a significant advancement in the field of quantum communication.