基于混合复用增强的城域尺度离子-光子纠缠量子网络节点实现

《Nature Communications》：Metropolitan-scale ion-photon entanglement via a quantum network node with hybrid multiplexing enhancements

本研究针对城域尺度量子网络中远程纠缠生成速率低于存储器退相干速率的关键瓶颈，研究团队通过开发混合复用增强的囚禁离子量子网络节点，结合多重激发与离子穿梭技术，在12公里光纤上实现了4.28 s-1的离子-光子纠缠生成速率（纠缠效率达1.16），并利用双类型编码实现366 ms的存储器相干时间。该突破为多节点量子网络的实际应用奠定了关键技术基础。

　　

量子信息技术正迎来从实验室走向实际应用的关键转折点，其中量子网络（quantum network）和量子中继器（quantum repeater）被认为是扩展量子系统规模的最有前景方案。这类技术能实现分布式量子计算、长距离量子通信等革命性应用。然而，构建实用化量子网络面临一个核心挑战：远程节点间的纠缠生成速率必须超越量子存储器的退相干（decoherence）速率。在城域尺度（约10公里）光纤链路上，由于光信号的往返传输时间长达100微秒，传统单模式纠缠方案效率极低，其"链路效率"（η_link）远低于1，严重制约了多节点量子网络的发展。

针对这一瓶颈，清华大学段路明研究组与普翊飞研究组在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。团队通过创新性地设计混合复用增强的囚禁离子（trapped ion）量子网络节点，成功在12公里光纤上实现了离子-光子纠缠生成速率对存储器退相干速率的超越，这一突破为多节点量子网络的实现奠定了关键技术基础。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先构建了包含4个通信量子比特（communication qubit）和1个存储量子比特（memory qubit）的五离子链系统；开发了双类型编码（dual-type encoding）方案，将易操作的通信比特与长寿命的存储比特分离；创新性地结合了时间模式复用（time-bin multiplexing）与离子穿梭（ion shuttling）两种复用技术；通过多重激发（multiple excitation）策略将离子-光子纠缠的成功分支比从6%提升至54.4%；利用差频生成（DFG）技术将866 nm光子转换至1558 nm电信波段。

增强因子与复用方案

研究团队建立了时间模式复用的理论模型，表明通过增加模式数N可有效降低每次纠缠尝试的平均时间成本。当纠缠尝试的占空比达到50%时，复用增强因子M接近N/2。实验采用了两种复用方案：多重激发方法通过连续激发脉冲将离子从S_1/2能级"推"向D_3/2能级，产生时间可分辨的光子脉冲序列；离子穿梭方法则通过移动不同离子至光学接口焦点，实现空间模式的复用。

三种传输距离下的实验结果

在3米短距离情况下，团队使用2离子链（1个通信比特+1个存储比特）和多重激发方案，产生了8个时间模式的光子脉冲，纠缠生成速率提升3.4倍至263 s^-1，纠缠保真度达96.8±0.4%。存储比特在100 ms存储后仍保持93.3±0.9%的保真度。

在1公里中距离情况下，通过设置200 ns的时间间隔和12次激发脉冲，纠缠生成速率提升5.1倍至40 s^-1，纠缠保真度为94.6±0.7%。存储比特在240 ms存储后保真度为88.5±1.1%。

在12公里城域尺度情况下，团队采用混合复用方案：结合多重激发（每离子11个时间模式）和离子穿梭（4个通信离子），共产生44个时间模式。纠缠生成速率达4.28 s^-1，比单模式提升15.6倍，纠缠保真度为89.8±1.1%。存储比特的退相干时间为366±11 ms，首次实现了纠缠生成速率对退相干速率的超越（纠缠效率为1.16）。

量子存储性能与错误处理

研究证实双类型编码能有效保护存储比特免受通信比特操作的影响。存储比特的退相干时间在有无通信比特操作情况下均为约366 ms，表明操作串扰可忽略不计。针对D_5/2能级的自发辐射错误（寿命958 ms），团队采用中途测量（mid-circuit measurement）进行错误检测，在3米、1公里和12公里情况下的错误排除率分别为11%、21%和26%。

该研究通过混合复用技术显著提升了城域尺度量子网络的纠缠分发效率，首次在城域尺度上实现了纠缠生成速率对存储器退相干速率的超越。双类型编码方案有效解决了量子信息存储与操作间的矛盾，中途测量技术为后续量子纠错奠定了基础。这些突破使得构建多节点、城域尺度的囚禁离子量子网络成为可能，将推动分布式量子计算、长距离量子通信等应用的实质性进展。未来通过优化波长转换效率（当前12%→潜在57%）、提高离子穿梭速度（当前25 μs→潜在<3 μs）以及结合光学腔增强等技术，纠缠生成速率有望进一步提升。