基于钻石型原子系综的量子接口用于电信频段频率转换

在基于光纤的量子网络中，利用电信频段对于量子节点之间的长距离量子信息（QI）传输至关重要。然而，近红外波长被确定为通过碱金属原子处理和存储QI的最佳选择。在保持光子携带的QI的同时，有效桥接原子量子器件与电信光纤之间的频率差距是量子频率转换（QFC）作为关键量子接口所解决的挑战。本研究探索了一种使用铷能级钻石型四波混频（FWM）的电信频段QFC机制。该机制在795 nm的近红外波长与1367或1529 nm的电信频段之间转换光子。应用海森堡-朗之万方法，我们在考虑量子噪声的情况下优化了不同光学深度下的转换效率（CE），并给出了相应的实验参数。与以往忽略施加场吸收损耗的工作不同，我们的结果更贴近实际场景。此外，通过使用约化密度算符理论，我们证明了这种钻石型FWM方案以高保真度保持量子特性，不受真空场噪声影响，能够实现高纯度的QFC。另一个重要贡献在于考察了该方案如何影响编码在光子数、路径和偏振自由度中的QI。这些编码的量子比特在足够高的CE下表现出显著的纠缠保持。在完美CE的情况下，该方案可以实现单位保真度。这一全面探索为基于原子系综的钻石型QFC方案在量子网络中的应用提供了理论支持，为推进该方案在分布式量子计算和长距离量子通信中的应用奠定了必要基础。