DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10171-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41741652
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: P.-J. Stas وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
طرق
في هذه الدراسة، يتكون الإعداد التجريبي من مختبرين، كل منهما مجهز بمحطة تحتوي على مركز فراغ السيليكون (SiV) داخل ثلاجة تخفيف تحافظ على درجة حرارة تقارب 100 مللي كلفن. يسهل هذا التكوين إعداد إشارات الضوء لأغراض مختلفة، بما في ذلك توليد التشابك والتداخل المحو. تشمل المكونات الرئيسية إعداد الليزر لتوليد الكيوبتات المتشابكة وإشارات الضوء، بالإضافة إلى أنظمة للقراءة وآليات القفل. الفرق في التردد بين الـ SiVs في كل محطة يقارب 10 جيجاهرتز، والذي يتم ربطه باستخدام معدلات الكهروضوئية (EOM) ويتم تصفيته من خلال تجويف فابري-بروت.
تستخدم التجربة معدلات الصوت الضوئية (AOM) للتبديل بين مسارات التشابك ومسارات محو الإشارة وكذلك لتحويل التردد اللازم لقفل الطور في مقياس التداخل المتشابك. يتم الكشف عن الفوتونات باستخدام كاشفات فوتون فردي من أسلاك نانوية فائقة التوصيل (SNSPD) لعد المحو وكاشف فوتون فردي من نوع الانهيار الضوئي (APD) للإعلان عن الفوتونات المتشابكة. على الرغم من أن الـ SNSPDs ليست قادرة على حل عدد الفوتونات على الفور، إلا أنها يمكن أن تحل عدد الفوتونات بفعالية تحت ظروف معينة. يتم إدارة جمع البيانات من خلال جهاز توقيت زمني، بينما تتحكم مولدات الموجات العشوائية في التسلسلات التجريبية، بما في ذلك تعديل الـ AOMs وEOMs، بالإضافة إلى توليد نبضات الميكروويف والترددات الراديوية لتManipulation الـ SiV.
نقاش
في هذا القسم، يناقش البحث التقدم في استشعار الطور غير المحلي باستخدام التداخل المدعوم بالذاكرة الكمومية. الهدف الرئيسي هو قياس الطور التفاضلي $\phi$ بين محطتين للكشف بكفاءة ودقة عالية. تشمل الطرق التقليدية لقياس $\phi$ إما التداخل المباشر للضوء المجموع أو القياسات المحلية باستخدام مذبذب محلي (LO). تعاني الطريقة الأولى من ضعف الإشارة على مسافات طويلة، بينما تقتصر الثانية على ضوضاء اللقطة الناتجة عن تقلبات الفراغ، مما يؤدي إلى تقليل وضوح التداخل ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).
يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا يستخدم ذاكرات كمومية متشابكة لتعزيز قدرات القياس دون عيوب الطرق التقليدية. من خلال استخدام إعلان فوتون غير محلي، يمكنهم الكشف عن وصول فوتون إشارة دون الكشف عن محطته، وبالتالي تصفية تقلبات الفراغ وتحسين SNR. يتضمن الإعداد التجريبي إعداد كيوبتات نووية متشابكة في محطتين، وجمع ضوء الإشارة، وتنفيذ بروتوكولات محو الفوتون والإعلان. تظهر هذه الطريقة تحسينًا كبيرًا في مقياس SNR ووضوح التداخل، خاصة في نظام الإشارة الضعيفة، وتوسع قاعدة القياس إلى 1.55 كم. تشير النتائج إلى أن المزيد من التحسينات في معدلات التشابك ودمج الكيوبتات يمكن أن تؤدي إلى تطبيقات عملية في التصوير المعزز بالكم والتقنيات الكمومية المتقدمة الأخرى.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10171-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41741652
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): P.-J. Stas et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Methods
In this study, the experimental setup consists of two laboratories, each equipped with a station housing a silicon-vacancy (SiV) center within a dilution refrigerator maintained at approximately 100 mK. The configuration facilitates the preparation of light signals for various purposes, including entanglement generation and erasure interferometry. Key components include a laser setup for generating entangled qubits and signal light, as well as systems for readout and locking mechanisms. The frequency difference between the SiVs at each station is approximately 10 GHz, which is bridged using electro-optic modulators (EOM) and filtered through a Fabry-Perot cavity.
The experiment employs acousto-optic modulators (AOM) for both switching between entanglement and signal-erasing paths and for frequency shifting necessary for phase locking in the entanglement interferometer. Photon detection is conducted using superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPD) for erasure counts and a single-photon avalanche photodiode (APD) for heralding entangled photons. Although the SNSPDs are not instantaneously photon-number-resolving, they can effectively resolve photon numbers under specific conditions. Data acquisition is managed through a time tagger, while arbitrary waveform generators control the experimental sequences, including the modulation of AOMs and EOMs, as well as microwave and radiofrequency pulse generation for SiV manipulation.
Discussion
In this section, the research discusses advancements in non-local phase sensing using quantum memory-assisted interferometry. The primary objective is to measure the differential phase $\phi$ between two detector stations with high efficiency and precision. Traditional methods for measuring $\phi$ involve either direct interference of collected light or local measurements with a local oscillator (LO). The former suffers from signal attenuation over long distances, while the latter is limited by shot noise from vacuum fluctuations, leading to reduced interference visibility and signal-to-noise ratio (SNR).
The authors propose a novel approach utilizing entangled quantum memories to enhance measurement capabilities without the drawbacks of traditional methods. By employing non-local photon heralding, they can detect the arrival of a signal photon without revealing its station, thus filtering out vacuum fluctuations and improving SNR. The experimental setup involves preparing entangled nuclear qubits at two stations, collecting signal light, and implementing photon erasure and heralding protocols. This method demonstrates a significant improvement in SNR scaling and interferometric visibility, particularly in the weak-signal regime, and extends the measurement baseline to 1.55 km. The findings suggest that further enhancements in entanglement rates and qubit integration could lead to practical applications in quantum-enhanced imaging and other advanced quantum technologies.