工程师在量子网络中实现多路复用纠缠

摘要：加州理工学院的工程师们为未来的量子通信系统奠定了基础，他们展示了由两个节点组成的量子网络的成功运行，每个节点包含多个量子位，即量子计算机的基本信息存储构件。

加州理工学院的工程师们为未来的量子通信系统奠定了基础，他们展示了由两个节点组成的量子网络的成功运行，每个节点包含多个量子位，即量子计算机的基本信息存储构件。

为了实现这一目标，研究人员开发了一种新的协议，用于并行分发量子信息，有效地创建了多个发送数据的通道，即多路复用。这项工作是通过将镱原子嵌入晶体内部并将其耦合到光学腔（一种捕获和引导光的纳米级结构）来完成的。该平台具有独特的特性，非常适合使用多个量子位并行传输携带量子信息的光子。

加州理工学院应用物理和电子工程系 William L. Valentine 教授 Andrei Faraon (BS '04) 表示：“这是首次在单个自旋量子比特的量子网络中演示纠缠复用。这种方法大大提高了节点之间的量子通信速率，代表了该领域的一次重大飞跃。”

这项研究成果发表在 2 月 26 日的《自然》杂志上。论文的主要作者是现为哈佛大学博士后研究员的 Andrei Ruskuc（2024 年博士）和加州理工学院研究生 Chun-Ju Wu，他们在 Faraon 实验室完成了这项研究。

正如互联网与我们今天习惯使用的传统计算机连接一样，未来的量子网络将连接存在于不同物理位置的量子计算机。

在研究量子领域时，研究人员要处理的是单个原子和光子（光的基本粒子）的微小尺度。在这个尺度上，物质的行为并不遵循经典物理学，而是量子力学在起作用。

量子力学中一个最重要、最奇特的概念是纠缠，即两个或多个物体（如原子或光子）无论物理距离如何，都不可避免地联系在一起。这种联系是如此基本，以至于一个粒子如果不参考另一个粒子就无法完全描述。因此，测量一个粒子的量子态也可以提供有关另一个粒子的信息，这是量子通信的关键。

在量子通信中，目标是使用纠缠原子作为量子比特来共享或传送量子信息。迄今为止，限制通信速率的关键挑战是准备量子比特和传输光子所需的时间。

“纠缠复用通过每个处理器或节点使用多个量子比特克服了这一瓶颈。通过同时准备量子比特和传输光子，纠缠率可以与量子比特的数量成比例缩放，”Ruskuc 说。

在新系统中，两个节点是由钒酸钇 (YVO4) 晶体制成的纳米结构。激光用于激发这些晶体中的稀土金属镱原子 (Yb3+)，使每个原子发射一个与其纠缠的光子。来自两个独立节点的原子的光子随后传播到中心位置，在那里被检测到。该检测过程触发量子处理协议，导致镱原子对之间产生纠缠态。

每个节点的 YVO4 晶体中都有许多镱原子，因此有大量可用的量子比特。然而，由于晶体内部存在缺陷，每个原子的光频率都略有不同。

“这就像一把双刃剑，”Ruskuc 说。一方面，不同的频率使研究人员能够微调他们的激光以瞄准特定的原子。另一方面，科学家此前认为，光子频率的相应差异将使产生纠缠量子比特态成为不可能。

“这就是我们的协议的用武之地。这是一种产生原子纠缠态的创新方法，即使它们的光学跃迁不同，”Ruskuc 说。

在新协议中，一旦在中心位置检测到光子，原子就会实时经历一种定制的量子处理。研究人员将这种处理称为“量子前馈控制”。

“基本上，我们的协议会利用从光子到达时间收到的信息，并应用量子电路：一系列针对两个量子比特量身定制的逻辑门。应用这个电路后，我们就处于纠缠状态，”Ruskuc 解释道。

该团队的 YVO4 平台可以容纳许多量子比特——在这项工作中，每个节点包含大约 20 个量子比特。“但有可能将这个数字至少增加一个数量级，”合著者吴说。

Faraon 表示：“稀土离子的独特性质与我们展示的协议相结合，为实现每个节点数百个量子比特的网络铺平了道路。我们相信这项工作为基于稀土离子的高性能量子通信系统奠定了坚实的基础。”

加州理工学院论文《多发射量子网络节点的多路复用纠缠》的其他作者包括研究生 Emanuel Green、AWS 量子博士后学者研究助理 Sophie LN Hermans、研究生 William Pajak 和斯坦福大学的 Joonhee Choi（Faraon 实验室前博士后学者）。设备纳米制造是在加州理工学院的 Kavli 纳米科学研究所进行的。