DOI: https://doi.org/10.1126/science.aec6243
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41643001
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Bo-Wei Lu وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية تقدمًا كبيرًا في توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة (DI-QKD)، وهو تطبيق حاسم للإنترنت الكمومي. نجح المؤلفون في تنفيذ DI-QKD بين نقطتين ذرتين مفردتين متصلتين بـ 100 كيلومتر من الألياف الضوئية. لتعزيز معدل التشابك، استخدموا تداخل الفوتونات المفردة لتبشير التشابك وطبقوا تحويل التردد الكمومي للتخفيف من فقدان الألياف. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير مخطط انبعاث قائم على ريدبرغ مخصص لتقليل تأثير ارتداد الفوتونات على الذرات مع تجنب إدخال الضوضاء.
أظهرت النتائج تشابكًا عالي الدقة بين الذرات ومعدلات مفاتيح إيجابية غير محدودة لطول الألياف يصل إلى 100 كم. ومن الجدير بالذكر أنه على مسافة 11 كم، أعد النظام 1.2 مليون زوج من بيل المبشر على مدى 624 ساعة، محققًا معدل مفتاح آمن قابل للاستخراج يقدر بـ 0.112 بت لكل حدث ضد الهجمات العامة. هذه النتائج تسد الفجوة بين المفاهيم النظرية للشبكات الكمومية والتنفيذات العملية، مما يمثل خطوة كبيرة نحو تطبيقات الاتصال الكمومي في العالم الحقيقي.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة البحثية تطور وأهمية توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) في سياق علم المعلومات الكمومية. في البداية، اعتمدت QKD على مخططات “التحضير والقياس”، والتي تكون عرضة للثغرات العملية بسبب عيوب الأجهزة. يمثل التقدم نحو QKD المستقل عن الأجهزة (DI-QKD) تحسينًا كبيرًا، حيث يوفر أقصى درجات الأمان التشفيري بناءً على انتهاك عدم المساواة لبيل، مما يلغي الحاجة إلى الثقة في الأعمال الداخلية للأجهزة الكمومية. ومع ذلك، يتطلب تحقيق DI-QKD تشابكًا بعيد المدى عالي الدقة وكفاءة الكشف، مما حد من تجاربها إلى مسافات قصيرة في البيئات المختبرية.
يسلط المؤلفون الضوء على التقدم الأخير في توسيع مسافات التشابك للكيوبتات المادية ودور تحويل التردد الكمومي (QFC) في تسهيل توزيع التشابك لمسافات طويلة. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال التحديات قائمة في تلبية متطلبات الدقة ومعدل التشابك لـ DI-QKD. تقدم الورقة اختراقًا في إظهار DI-QKD من خلال توزيع تشابك عالي الدقة المبشر بين ذرتين من \(^{87}\text{Rb}\) عبر ألياف تصل إلى 100 كم. تم تحقيق ذلك من خلال مخطط تداخل الفوتون المفرد (SPI) الذي يقلل من فقدان الفوتونات ويعزز كفاءة توزيع التشابك. من خلال استخدام عملية انبعاث فوتون مفرد قائمة على ريدبرغ مصممة خصيصًا وتحويل الفوتونات المنبعثة إلى طول موجي للاتصالات يبلغ 1.3 ميكرومتر، نجح المؤلفون في تحقيق DI-QKD على مسافة 11 كم مع أمان مفتاح محدود وأسسوا معدل مفتاح إيجابي غير محدود على مسافات تتجاوز 100 كم.
طرق
تشمل البنية التجريبية المصممة لتوزيع التشابك المبشر نقطتين من الشبكة الكمومية، أليس وبوب، متصلتين بنقطة قياس حالة بيل المركزية (BSM)، تشارلي. تحتوي كل نقطة على ذرة مفردة محصورة من $^{87}$Rb، والتي تعمل كذاكرة كمومية طويلة الأمد، ومجهزة بواجهة فعالة بين الذرة والفوتون تسمح بالكشف السريع عن الفلورية بدقة تتجاوز 99.5%. يتم ترميز الكيوبتات الذرية في حالات أرضية فائقة الدقة، ويتم توليد التشابك البعيد باستخدام مخطط تداخل الفوتون المفرد (SPI). تعزز هذه الطريقة معدل توليد التشابك من خلال الحاجة فقط إلى نقرة واحدة من الكاشف لتبشير التشابك، على الرغم من وجود فقدان في القناة يمكن أن يؤدي إلى حالات مختلطة.
لتخفيف التحديات المرتبطة بارتداد الفوتونات وانخفاض الدقة في توليد التشابك، استخدم الباحثون بروتوكول انبعاث فوتون مفرد قائم على ريدبرغ (RSPE). تقلل هذه الطريقة من تأثيرات الارتداد من خلال ضمان أن تزامن نبضات الإثارة مع الفوتونات المنبعثة، مما يقلل من نقل الزخم الصافي إلى الذرات. أظهرت النتائج التجريبية تماسكًا عاليًا واستقرارًا تداخليًا، حيث أظهرت الأشرطة التداخلية رؤية تبلغ 0.93 ± 0.01، مما يؤكد جدوى BSM عالي الدقة في بروتوكول SPI. بالإضافة إلى ذلك، أشارت قياسات تداخل هونغ-أو-ماندل إلى عدم تمييز شبه كامل للفوتونات المولدة، مع رؤية تبلغ 0.991 ± 0.01، وهو أمر أساسي لتحقيق تشابك عالي الدقة بين الذرات.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون النجاح في توليد تشابك الذرات المبشر على مسافات حضرية، باستخدام مخطط انبعاث فوتون قائم على ريدبرغ يقلل من تأثيرات ارتداد الفوتونات ويحافظ على نقاء الفوتونات. يسمح تنفيذ تحويل التردد الكمومي (QFC) بتحويل الفوتونات المنبعثة ذات الطول الموجي 780 نانومتر إلى نطاق O للاتصالات (1315 نانومتر)، مما يقلل بشكل كبير من تلاشي الألياف ويحقق كفاءة إجمالية تبلغ 47%. يظهر النظام نسب إشارة إلى ضوضاء (SNRs) تتجاوز 30,000:1 ويحافظ على دقة التشابك فوق 0.9 عبر أطوال الألياف تصل إلى 100 كم، مما يؤكد متانة البروتوكول للتطبيقات العملية في توزيع المفاتيح الكمومية المستقل عن الأجهزة (DI-QKD).
يقدم المؤلفون مزيدًا من التفاصيل حول تنفيذ DI-QKD، حيث يتم ضمان الأمان من خلال انتهاك عدم المساواة لبيل. يبلغ معدل خطأ البت الكمومي (QBER) 0.0285 ومعامل انتهاك CHSH هو S = 2.612، مما يشير إلى تشابك عالي الجودة مناسب لتوليد المفاتيح الآمنة. معدل المفتاح الآمن المقدر هو 0.112 بت لكل حدث، مما يوضح جدوى DI-QKD محدود الحجم على نطاق حضري. تسلط النتائج الضوء على الإمكانيات لشبكات كمومية قابلة للتوسع، حيث تعمل البنية أيضًا كمنصة لتوليد أرقام عشوائية كمومية واختبارات أساسية لميكانيكا الكم. يمكن أن تعزز التحسينات المستقبلية معدلات التشابك وتوسع المسافات التشغيلية، مما يمهد الطريق لأنظمة الاتصال الكمومي المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aec6243
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41643001
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Bo-Wei Lu et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
This research paper presents a significant advancement in device-independent quantum key distribution (DI-QKD), a crucial application for the quantum internet. The authors successfully implemented DI-QKD between two single-atom nodes connected by 100 kilometers of optical fiber. To enhance the entangling rate, they utilized single-photon interference for entanglement heralding and employed quantum frequency conversion to mitigate fiber loss. Additionally, a customized Rydberg-based emission scheme was developed to minimize the photon recoil effect on the atoms while avoiding the introduction of noise.
The results demonstrated high-fidelity atom-atom entanglement and positive asymptotic key rates for fiber lengths up to 100 km. Notably, at a distance of 11 km, the system prepared 1.2 million heralded Bell pairs over a span of 624 hours, achieving an estimated extractable finite-size secure key rate of 0.112 bits per event against general attacks. These findings bridge the gap between theoretical quantum network concepts and practical implementations, marking a significant step towards real-world quantum communication applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the evolution and significance of quantum key distribution (QKD) within the context of quantum information science. Initially, QKD relied on “prepare-and-measure” schemes, which are susceptible to practical loopholes due to device imperfections. The advancement towards device-independent QKD (DI-QKD) marks a significant improvement, as it offers maximal cryptographic security based on the violation of Bell inequalities, eliminating the need for trust in the internal workings of quantum devices. However, achieving DI-QKD necessitates high-fidelity remote entanglement and detection efficiency, which have limited its demonstrations to short distances in laboratory settings.
The authors highlight recent progress in extending entangling distances for matter qubits and the role of quantum frequency conversion (QFC) in facilitating long-distance entanglement distribution. Despite these advancements, challenges remain in meeting the fidelity and entangling rate requirements for DI-QKD. The paper presents a breakthrough in demonstrating DI-QKD by distributing high-fidelity heralded entanglement between two \(^{87}\text{Rb}\) atoms over spooled fibers up to 100 km. This was achieved through a single-photon interference (SPI) scheme that mitigates photon loss and enhances entanglement distribution efficiency. By employing a tailored Rydberg-based single-photon emission process and down-converting emitted photons to a 1.3-µm telecom wavelength, the authors successfully realized DI-QKD over 11 km with finite-key security and established a positive asymptotic key rate over distances exceeding 100 km.
Methods
The experimental architecture designed for heralded entanglement distribution involves two quantum network nodes, Alice and Bob, connected to a central Bell state measurement (BSM) node, Charlie. Each node contains a single trapped $^{87}$Rb atom, which acts as a long-lived quantum memory, and is equipped with an efficient atom-photon interface that allows for rapid fluorescence detection with a fidelity exceeding 99.5%. The atomic qubits are encoded in hyperfine ground states, and remote entanglement is generated using a single-photon interference (SPI) scheme. This method enhances the entanglement generation rate by requiring only a single detector click to herald entanglement, despite the presence of channel loss that can lead to mixed states.
To mitigate challenges associated with photon recoil and low fidelity in entanglement generation, the researchers employed a Rydberg-based single-photon emission (RSPE) protocol. This approach minimizes recoil effects by ensuring that excitation pulses co-propagate with the emitted photons, thereby reducing net momentum transfer to the atoms. The experimental results demonstrated high coherence and interferometric stability, with observed interference fringes showing a visibility of 0.93 ± 0.01, confirming the feasibility of high-fidelity BSM in the SPI protocol. Additionally, Hong-Ou-Mandel interference measurements indicated near-perfect indistinguishability of the photons generated, with a visibility of 0.991 ± 0.01, which is essential for achieving high-fidelity atom-atom entanglement.
Discussion
In this section, the authors discuss the successful generation of heralded atom-atom entanglement over metropolitan distances, utilizing a Rydberg-based photon emission scheme that minimizes photon recoil effects and preserves photon purity. The implementation of quantum frequency conversion (QFC) allows for the down-conversion of emitted 780 nm photons to the telecom O-band (1315 nm), significantly reducing fiber attenuation and achieving an overall efficiency of 47%. The system demonstrates high signal-to-noise ratios (SNRs) exceeding 30,000:1 and maintains entanglement fidelity above 0.9 across fiber lengths up to 100 km, confirming the robustness of the protocol for practical applications in device-independent quantum key distribution (DI-QKD).
The authors further detail the implementation of DI-QKD, where security is ensured through the violation of a Bell inequality. They report a quantum bit error rate (QBER) of 0.0285 and a CHSH violation parameter of S = 2.612, indicating high-quality entanglement suitable for secure key generation. The estimated secure key rate is 0.112 bits per event, demonstrating the feasibility of finite-size DI-QKD at the metropolitan scale. The results highlight the potential for scalable quantum networks, with the architecture also serving as a platform for quantum random number generation and fundamental tests of quantum mechanics. Future improvements could enhance entangling rates and extend operational distances, paving the way for advanced quantum communication systems.