量子网络中基于纠缠辅助的非局域光学干涉测量

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论文题目

量子网络中纠缠辅助的非局域光学干涉测量

作者

P.-J. Stas¹⁻⁹、Y.-C. Wei¹⁻⁹、M. Sirotin¹⁻²⁻⁹、Y. Q. Huan¹、U. Yazlar¹⁻³、F. Abdo Arias¹、E. Knyazev¹、G. Baranes¹⁻²、B. Machielse⁴⁻⁵、S. Grandi⁶、D. Riedel⁵、J. Borregaard¹、H. Park¹⁻⁷、M. Lončar⁴、A. Suleymanzade¹⁻⁸、M. D. Lukin¹（通讯作者）

单位

1. 哈佛大学物理系，美国马萨诸塞州剑桥市
2. 麻省理工学院电子学研究实验室，美国马萨诸塞州剑桥市
3. 波士顿大学材料科学与工程系，美国马萨诸塞州波士顿市
4. 哈佛大学约翰・A・保尔森工程与应用科学学院，美国马萨诸塞州剑桥市
5. IonQ 公司，美国马里兰州大学公园市
6. 西班牙巴塞罗那科学技术研究所，光子科学研究所（ICFO）
7. 哈佛大学化学与化学生物学系，美国马萨诸塞州剑桥市
8. 加州大学伯克利分校物理系，美国加利福尼亚州伯克利市
9. 以上三位作者贡献相同

通讯邮箱：lukin@physics.harvard.edu

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10171-w

收稿日期：2025 年 9 月 10 日

录用日期：2026 年 1 月 22 日

在线发表：xxxx 年 xx 月 xx 日

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摘要

在弱光条件下，长基线望远镜阵列等非局域光学测量的灵敏度受限于量子噪声与光子损耗。分布式量子纠缠被认为是突破这一限制、实现非局域光学传感新体制的关键路径。本文在基于金刚石纳米腔中硅–空位（SiV）色心的量子网络上，利用纠缠量子存储器实验实现了非局域相位测量。具体而言，我们结合事件就绪式远程量子纠缠、光子模式擦除（隐藏时空分离入射光场的 “路径信息”）与远程纠缠实现的非局域无损光子预示，在两个空间分离的观测站之间完成了概念验证级的纠缠辅助弱光差分相位测量。实验中光纤链路基线最长达1.55 km，验证了远程相位传感协议的可行性，为新一代量子增强光学成像方法奠定基础，可应用于长基线干涉测量、天文观测与显微成像等领域。

1 引言

光学干涉测量是成熟的高分辨率成像技术，广泛应用于物理、天文、生物与医学成像。例如，天文干涉测量将多台物理分离望远镜收集的光信号合并，大幅提升成像分辨率；光学接收机构成合成孔径，分辨率与接收站间距（基线）正相关。但在实际中，延长接收阵列基线极具挑战。

在光学波段典型的弱信号条件下，最优观测方式是入射电磁场的直接干涉，但基于光纤的连接会导致信号光指数级衰减。量子网络为非局域干涉测量提供了新路径：利用量子纠缠在远程接收站之间实现电磁场模式量子态的有效隐形传态，从而实现直接干涉。

近期全光子系统已演示纠缠辅助非局域干涉方案，而量子存储器则可通过事件就绪（预示）纠缠与高效信息处理，结合局域光子模式擦除，将所需纠缠对数量指数级降低，是克服光子损耗的实用方案。

本实验在直线距离约 6 m的双站点量子网络中，实现量子存储器辅助的非局域干涉测量。系统采用固态类原子缺陷 —— 集成于金刚石纳米光子腔的硅–空位色心（SiV）。该体系兼具长寿命自旋量子存储器、高保真度量子门与读出、强光–物质相互作用，可高效实现自旋–光子操控，已被用于量子存储器增强通信、城域光纤纠缠分发与盲量子计算等实验。

每个 SiV 构成双量子比特寄存器：通信量子比特（电子自旋）与存储量子比特（²⁹Si 核自旋）。信号光经光纤耦合 SiV–腔系统反射，光纤网络用于读出、纠缠产生与信号光收集。本实验采用并行纠缠方案（替代传统串行方案），提升电子–电子与核–核纠缠速率，并实现无损光子预示：先在单站点对时间域光子量子比特局域实现，再利用远程纠缠对两远程空间模式叠加态的光子非局域实现。该光子预示可滤除真空涨落，实现干涉仪最优灵敏度。

我们将该方法与光子模式擦除结合，通过入射场与局域相干态光干涉，隐藏干涉测量的路径信息；最终集成所有技术，实现最长 1.55 km 光纤基线的长基线量子存储器辅助干涉仪，其基线长度是当前最先进光学望远镜阵列（330 m）的 5 倍。

2 非局域相位传感

非局域干涉仪的信号（如遥远天体在两个探测站的入射光角度）通常与探测站间差分相位 ϕ的正弦 / 余弦成正比。测量目标是以最高效率与精度确定该差分相位，进而反演遥远天体的空间信息。

传统热光测量 ϕ 有两种方法：

1. 非局域收集场模式直接干涉：将各站信号光传输至中心分束器干涉，信噪比（SNR）随√μₛᵢ₉变化（μₛᵢ₉≪1 为入射光场平均光子数），但长基线下信号随站距指数衰减。
2. 局域测量 + 分布式本振光（LO）干涉：各站将收集场与本振光干涉，通过局域测量结果对比得到相位差。但局域测量无法区分信号场的真空分量与单光子分量，真空分量无相位信息却引入散粒噪声（真空涨落噪声），干涉可见度降低，SNR 随 μₛᵢ₉变化。

高阶关联可独立测量各站入射光局域相位，但热光下需两站同时到达信号光子，仍保持不利的标度关系。

纠缠量子存储器可实现最优非局域测量，且无基线相关的场指数衰减。预先生成的站点间纠缠可用于非局域光子预示：在不揭示光子到达站点的前提下探测信号光子到达，从而区分真空与信号光子且不破坏相位信息 ϕ。仅保留非局域预示成功的测量结果，可有效滤除真空涨落，提升干涉可见度与信噪比。

实验实现步骤：

1. 干涉仪就绪：将两站核自旋量子比特制备为纠缠态，该纠缠为事件就绪式，独立于后续信号测量预示，优于全光子方案。
2. 信号光建模：采用平均光子数 μₛᵢ₉≪1 的弱激光脉冲，弱信号下等效为双模热态。
3. 信号光收集：局域量子操作将光子态与各站量子比特纠缠。
4. 光子模式擦除：隐藏路径信息。
5. 非局域无损光子预示：测量两站电子量子比特自旋宇称，在不揭示光子到达站点的前提下预示光子到达。
6. 相位读取：局域核自旋双量子比特宇称测量，提取光子模式差分相位 ϕ。

3 并行纠缠产生

此前 SiV 远程纠缠依赖串行方案，本实验采用并行纠缠方案，效率提升 7.5 倍。将两站以马赫–曾德尔干涉仪构型连接，每条光路反射一个 SiV–腔系统，且干涉仪需相位稳定。

纠缠产生过程：

1. 弱激光脉冲经分束器分为两束弱相干态，分别发送至两站，电子自旋初始制备为 |+⟩态。
2. 执行单模自旋–光子门（SMSPG），利用光子与电子自旋量子比特间自旋态依赖的条件反射振幅实现纠缠。
3. 两条光子路径在第二个分束器复合，探测到光子即预示纠缠尝试成功，保真度在低成功概率下不退化。
4. 将干涉仪相位锁定为 π，制备跨两站的贝尔态，纠缠保真度 F=0.83 (3)。

调节入射弱相干态平均光子数 μₑₙₜ，可提升单次尝试纠缠成功概率，但多光子贡献会降低纠缠态保真度。实验实现保真度 F≥0.5 时纠缠速率 13 Hz、F=0.79 (3) 时速率 1.9 Hz，支持基于纠缠的传感实验。

核–核纠缠：将 SMSPG 替换为单模光子–核纠缠门（SMPHONE），通过电子自旋读出检测微波错误并剔除，实现核贝尔态保真度 F=0.73 (4)，速率 0.25 Hz。

4 光子擦除与非局域预示

光子模式擦除是将信号相位信息存入量子存储器、并兼容高效信号存储的关键步骤。信号与 SiV 作用后，需通过光子模式擦除确保不提取 “路径信息”，保留差分信号相位 ϕ。

实现方式：各站将信号光与本振相干态在分束器干涉，用光子数分辨探测器测量输出端口；根据光子数测量结果对核自旋量子比特施加反馈，并后选择有效探测事件。由于本振包含真空、单光子与多光子分量，探测无法区分光子来源，因此用电子自旋预示信号光子存在（不揭示光子模式），并将相位印刻在核自旋上。

局域验证

在单站点对两个时间模式叠加态的光子实现擦除与预示：

• 时间模式间隔 1 μs，无需贝尔对，采用电子 X 基测量预示信号光子到达并隐藏时间信息。
• 实验序列可用于经典通信量子接收机。
• 增大擦除过程中本振脉冲强度，可提升擦除效率，最大可见度达 0.36 (3)。可见度受光子损耗、探测器暗计数与微波错误限制。

5 量子存储器辅助干涉测量

完整量子存储器辅助远程相位传感协议流程：

1. 用 SMPHONE 门产生各站核量子比特纠缠，读出电子量子比特检测微波错误。
2. 将电子自旋量子比特重置至布洛赫球面赤道态。
3. 各站执行 SMSPG 收集信号光。
4. 对核自旋施加反馈，擦除反射光子模式信息。
5. 执行局域双量子比特门纠缠电子与核量子比特，测量电子量子比特，仅保留偶宇称（↑↑/↓↓）结果（真空态对应奇宇称↑↓/↓↑，直接剔除）。
6. 局域测量核自旋双量子比特 XX 宇称，提取相位信息 ϕ。

实验结果：

• 非局域信号光子预示显著提升核自旋宇称振幅，证明滤除真空涨落噪声的效果。
• 无预示时，可见度随 μₛᵢ₉减小而降低（真空贡献主导）；有非局域预示时，平均可见度从 0.031 (18) 提升至 0.090 (26)。
• 受预生成贝尔态误差影响，约 30% 错误预示事件，在弱信号下重新引入真空涨落敏感。
• 全数据平均采集速率约 12 mHz，由 0.41 Hz 纠缠速率、光子模式擦除与非局域预示成功概率共同决定。

真空滤波带来的可见度提升转化为干涉仪信噪比标度改善；错误预示在有效概率大于信号时会降低信噪比标度，因此提升贝尔态保真度是维持弱信号最优信噪比的核心。

长基线扩展

在纠缠干涉仪的站点间加入光纤盘，延长有效基线：

• 光纤长度增加会提升纠缠干涉仪相位噪声，降低锁定性能。
• 站点间光纤长度 1.55 km（干涉仪内光纤总长 3.1 km）时，核量子比特贝尔对保真度 F=0.63 (3)，远高于可验证纠缠阈值。
• 1.55 km 基线下，非局域相位传感协议测得依赖 ϕ 的核双量子比特宇称振荡可见度为 0.11 (4)。
• 纠缠产生后所有操作均为局域操作，不受站点间距增加影响，仅纠缠产生本身开销增大。

6 展望

本实验通过光子擦除、非局域无损光子预示等关键技术，演示了纠缠辅助非局域干涉测量，实现真空涨落滤除与最优相位测量灵敏度。实验将测量基线扩展至 1.55 km，验证长基线量子存储器辅助干涉测量可行性，走向实用化仍需多项系统改进：

1. 利用量子中继器与纠缠复用提升纠缠速率。
2. 增加单站点量子器件数量，集成 ¹³C 核自旋控制的量子存储器，实现入射光子高效存储。
3. 采用自旋–光子相位门替代振幅门，提升确定性操作效率。
4. 扩展 SiV 光谱窗口，结合波分复用与应变调控 SiV 光频调谐。

本实验建立了量子增强光学成像新路径：利用量子器件实现弱光信号相干存储与操控，将信号编码至量子比特存储器并耦合至中等规模量子处理单元，可运行先进量子算法，提取直接探测与经典后处理无法获取的信息。例如，扩展至多探测器系统可突破经典技术的层析限制与散粒噪声累积，实现信噪比随系统维度的根本性提升，可用于系外行星探测等高精度成像任务。

该技术可应用于弱信号条件下的量子增强成像，潜在变革性场景包括弯曲时空原时干涉测量、深空光通信与通用弱信号成像。本论文投稿后，已有基于纠缠原子系综量子存储器的非局域干涉测量实验报道。