Die Fernverschränkung zwischen Quantenspeichern ist die technische Grundlage für den Aufbau eines Quanteninternets und findet voraussichtlich Anwendung in Bereichen wie der Fern-Quantenkommunikation auf Basis von Quantenrelais, dem verteilten Quantenrechnen und der verteilten Quantensensorik. Der Schlüssel zur Erweiterung der Verschränkungsdistanz zwischen Speichern liegt in der Verbesserung der Verschränkungserfolgsrate. Zu diesem Zweck hat das Team über viele Jahre hinweg kontinuierlich an der Verschränkungsverbindung auf Basis der Einzelphotoneninterferenz geforscht und technische Herausforderungen wie die Phasenstabilisierung langer Glasfaserstrecken, die Fern-Phasensynchronisation unabhängiger Laser sowie hocheffiziente, rauscharme Quantenfrequenzkonversion gelöst. Um die Verschränkungsdistanz weiter auf mehrere hundert Kilometer zu erhöhen, müssen zudem die Übertragungsverluste im Kanal weiter reduziert und die Langzeitstabilität der Einzelphotonen-Phasenstabilisierung verbessert werden.
Das Forschungsteam stellte die Wellenlänge der Quantenspeicher von 795 Nanometern auf 780 Nanometer um und ersetzte das Schema der Quantenfrequenzkonversion, sodass die Signalphotonen an das Übertragungsfenster mit extrem geringen Verlusten der Glasfaser angepasst werden konnten. Bei der Einzelphotonen-Phasenstabilisierung entwickelte das Team eine Technik zur Drei-Frequenz-Phasenstabilisierung mit zwei Wellenlängen, die Vollzeit- und Zeitmultiplexverfahren kombiniert, wodurch die Langzeitstabilität der Photonen-Phasenstabilisierung bei extrem langen Glasfaserstrecken erheblich verbessert wurde. In Kombination mit diesen beiden neuen Technologien führten die Forscher Experimente zur Zwei-Knoten-Verschränkung über Glasfaserstrecken unterschiedlicher Länge durch. Die Experimente zeigten, dass die aus zwei kalten Atom-Quantenspeichern austretenden Photonen bis zu einer Distanz von 420 Kilometern eine stabile Einzelphotoneninterferenz aufrechterhalten konnten, und die Quantenverschränkung zwischen den Speichern wurde ebenfalls direkt verifiziert.
Die Forscher erklärten, dass diese Arbeit nicht nur die Verschränkungsdistanz zwischen Speichern erheblich erweitert, sondern auch einen wichtigen Durchbruch bei der Erfolgsrate der Verschränkungsverteilung erzielt hat. Bei großen Distanzen (über 230 Kilometer) kann die theoretische Grenze der direkten Quantenverschränkungsverteilung durchbrochen werden. Die entsprechenden Technologien ermöglichen den Aufbau von Quantennetzen auf städtischer Ebene und die Durchführung damit verbundener Anwendungsforschung.