論文の概要: Multi-Mode Quantum Memories for High-Throughput Satellite Entanglement Distribution

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.00282v1
• Date: Sat, 29 Nov 2025 02:31:04 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-02 19:46:34.147726
• Title: Multi-Mode Quantum Memories for High-Throughput Satellite Entanglement Distribution
• Title（参考訳）: 高出力衛星エンタングルメント分布のためのマルチモード量子メモリ
• Authors: Connor Casey, Albert Williams, Catherine McCaffrey, Eugene Rotherham, Nathan Darby,
• Abstract要約: 我々は、原子周波数コム(AFC)プロトコルに基づく低地球軌道(LEO)リピータのための非低温空間対応マルチモード量子メモリ(MMQM)を提案する。 コントリビューションは、(i)非低温で空間対応のマルチモードメモリ、(ii)システム解析結合モードカウント、保存時間、および軌道幾何学を達成可能な速度で実現し、(iii)短期的な実装ロードマップである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum networking seeks to enable global entanglement distribution through terrestrial and free space channels; however, the exponential loss in these channels necessitates quantum repeaters with efficient, long lived quantum memories (QMs). Space based architectures, particularly satellite assisted links, offer a path to truly global connectivity, yet they demand QMs that are compatible with orbital factors such as infrared radiation and the unique challenges of operating aboard a satellite. In this work, we propose a multimode quantum memory (MMQM) for low Earth orbit (LEO) repeaters based on the atomic frequency comb (AFC) protocol. Our design integrates a hybrid alkali noble gas ensemble in an optical cavity, using alkali atoms for strong photon matter coupling and noble gas nuclear spins for minutes to hours coherence, all without the need for cryogenics. The architecture natively supports temporal and spectral multiplexing, enabling the storage of 100 modes to parallelize probabilistic operations and overcome light limited round trip times. Representative link budgets at $h = 500$ km with realistic apertures, $η_{\text{mem}}\gtrsim 70%$, and $t_{\text{buffer}}$ of several minutes predict improvements of up to two orders of magnitude in per pass success probability and instantaneous SKR relative to a memoryless dual downlink, with clear scaling in $N$. Our contributions are (i) a non cryogenic, space ready multimode memory, (ii) a systems analysis coupling mode count, storage time, and orbital geometry to achievable rate, and (iii) a near term implementation roadmap. Together, these results indicate feasibility with current to near term technology and provide a practical path toward a high rate, space enabled quantum internet.
• Abstract（参考訳）: 量子ネットワークは、地球と自由空間のチャネルを通してグローバルな絡み合いの分布を可能にしようとしているが、これらのチャネルの指数的な損失は、効率的な長寿命量子メモリ(QM)を必要とする。 宇宙ベースのアーキテクチャ、特に衛星支援リンクは、真にグローバルな接続への道を提供するが、彼らは赤外線のような軌道要素と互換性のあるQMを必要としている。 本研究では、原子周波数コム(AFC)プロトコルに基づく低軌道(LEO)リピータのためのマルチモード量子メモリ(MMQM)を提案する。 我々の設計では、光子を強く結合するアルカリ原子と、低温を必要とせず、数分から数時間のコヒーレンスで希ガス核スピンを用いて、ハイブリッドアルカリ希ガスアンサンブルを光学キャビティに統合する。 このアーキテクチャは、時間とスペクトルの多重化をネイティブにサポートし、100モードの保存により、確率的操作を並列化し、光に制限されたラウンドトリップタイムを克服することができる。 現実的なアパーチャを持つ$h = 500$ km、$η_{\text{mem}}\gtrsim 70%$, and $t_{\text{buffer}}$数分間の代表的なリンク予算は、パス成功確率の最大2桁の改善と、メモリレスのデュアルダウンリンクに対する瞬時SKRの改善を予測し、$N$をクリアにスケーリングする。 コントリビューション (i)非低温空間対応マルチモードメモリ 二 達成可能な速度に対するシステム解析結合モード数、記憶時間及び軌道形状 (iii) 短期的な実装ロードマップ。 これらの結果は、現在から短期技術への実現可能性を示し、高速で空間対応の量子インターネットに向けた実践的な道筋を提供する。

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