近日，由哈佛大学、麻省理工学院等单位组成的联合研究团队在《自然》杂志上发表了一项开创性成果，首次在量子网络中利用纠缠量子存储器实现了非局域光学干涉测量。研究团队基于金刚石纳米光腔中的硅空位色心，构建了一个包含两个节点的量子网络。通过并行纠缠生成、光子模式擦除以及非局域光子 heralding 等关键技术，他们成功地在两个相距1.55公里的站点间，对弱光场进行了差分相位测量。实验证明，利用预先生成的量子纠缠可以有效地过滤掉真空涨落带来的噪声，从而在弱信号极限下显著提升干涉测量的信噪比。这项工作不仅验证了量子存储器辅助的长基线干涉协议，也为未来在射电天文、深空光学通信及量子增强成像等领域实现突破性应用奠定了实验基础。
《Entanglement-assisted non-local optical interferometry in a quantum network》
在传统长基线光学干涉测量中，如天文望远镜阵列，为了获得高角分辨率，需要将来自遥远天体的微弱光信号在多个接收站之间进行直接干涉。然而，受制于光纤传输的指数级损耗，直接干涉的灵敏度随基线长度急剧下降。另一种方法是各站点进行独立测量再对比结果，但这又无法区分信号光子和真空涨落，导致信噪比在弱光条件下严重受限。为了突破这一瓶颈，理论物理学家提出了利用分布式量子纠缠的设想：通过预先生成的纠缠对，实现非局域的光子 heralding，从而在不暴露光子到达路径的前提下标记信号光子的存在，滤除真空噪声。然而，这一构想长期以来缺乏实验验证。因此，将理论转化为可操作的实验系统，成为实现量子增强型远程光学 sensing 的关键驱动力。
研究内容与结论
本研究的核心在于构建并运行一个完整的量子存储器辅助的非局域干涉协议。实验系统由两个分离的量子节点组成，每个节点基于与纳米光子腔集成的硅空位色心。每个 SiV 色心提供电子自旋（通信比特）和硅核自旋（存储比特）组成的双量子比特寄存器。研究首先采用并行的 Mach-Zehnder 干涉构型，通过弱相干态脉冲与电子自旋的条件反射，生成了高保真度的电子-电子纠缠，并进一步通过 SMPHONE 门将纠缠转移到核自旋上，实现了核自旋 Bell 对的制备。在基线为 6 米时，核自旋 Bell 态保真度达到 0.73(4)；当在纠缠生成光路中插入总长 3.1 公里（对应站点间距 1.55 公里）的光纤卷时，核自旋纠缠保真度仍保持在 0.63(3)，远高于经典极限。
在成功建立远程核自旋纠缠后，研究团队执行了关键的信号光采集与处理步骤。信号光由平均光子数远小于1的弱相干态模拟，并被引导至两个站点的 SiV 腔系统，通过电子自旋的条件反射实现光子与自旋的耦合。随后，团队在每个站点引入“光子模式擦除”技术：将反射后的信号光与本振光在分束器上干涉，并通过光子数分辨探测器测量。这一过程将信号光的空间或时间模式信息抹除，同时将相位信息通过反馈（单比特门操作）映射到核自旋上。最后，通过非局域光子 heralding 技术，即对两个站点的电子自旋进行联合宇称测量，可以标记出确实有信号光子到达的事件（电子处于 |↑↑⟩ 或 |↓↓⟩ 态），而真空事件则被丢弃。实验数据显示，经过非局域 heralding 后，核自旋的宇称测量振荡可见度在平均信号光子数为0.25至2的范围内平均提升至0.090(26)，而未经过 heralding 的对照组仅为0.031(18)。
为了定量评估性能提升，研究者分析了信噪比与信号强度的关系。结果表明，在弱信号极限下（μ_sig ≪ 1），非局域光子 heralding 能够将 Fisher 信息量（正比于 SNR²）的标度率从无 heralding 时的 ∝ μ_sig² 提升至 ∝ μ_sig。这一提升直接证明了 heralding 技术有效滤除了真空噪声。实验还揭示了当前保真度的限制因素：核自旋 Bell 态的不完美（约30%的错误率）会导致误 heralding 事件，即在无信号光子时错误地标记了“成功”。当误 heralding 概率超过信号光子概率时，SNR 增益会被削弱。因此，进一步提高纠缠保真度是未来实现更优 SNR 标度率的关键。此外，研究还展示了通过增加光纤长度将有效基线扩展至1.55公里，并在此距离下成功观测到依赖于相位差的核自旋宇称振荡，验证了协议的远程适用性。
图4 | 量子记忆辅助干涉术的实现
核心创新点：本工作的核心创新在于首次实验集成了量子存储器辅助长基线干涉的核心要素。区别于纯光学的纠缠辅助方案，该研究利用固态量子存储器（SiV 色心的核自旋）预先生成事件准备好的远程纠缠，解决了光子传输损耗问题。创新性地将单光子水平的信号光与量子存储器耦合，并通过“光子模式擦除”将相位信息相干地转移至存储器中。在此基础上，利用远程纠缠实现“非局域非破坏性光子 heralding”，在不揭示光子路径信息的前提下标记信号光子的到达，从根本上滤除了真空涨落噪声，从而在弱信号极限下实现了优于经典方法的信噪比标度率。该实验成功将协议基线扩展至1.55公里，验证了其在实际长基线部署中的可行性。。
原文链接：Stas, PJ., Wei, YC., Sirotin, M. et al. Entanglement-assisted non-local optical interferometry in a quantum network. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10171-w返回搜狐，查看更多