量子通信技術(shù)又迎來了新進(jìn)展！

牛津大學(xué)研究人員在Nature上發(fā)表的最新研究，在兩米的距離上實(shí)現(xiàn)了確定性的量子門傳送，保真度達(dá)86%。

研究人員表示，這項(xiàng)研究給各種物理平臺(tái)的大規(guī)模量子計(jì)算提供了可行的途徑，并為量子互聯(lián)網(wǎng)打下了基礎(chǔ)。

分布式量子計(jì)算（DQC）可以在不損害性能或量子比特連接性，是執(zhí)行大型量子電路的理想方式，光子網(wǎng)絡(luò)適合作為其中的互聯(lián)層。

借助光子網(wǎng)絡(luò)，通過量子門傳送（QGT）在網(wǎng)絡(luò)中的物質(zhì)量子比特之間共享遠(yuǎn)程糾纏，可以實(shí)現(xiàn)全互連的邏輯連接，但要求傳送過程具備確定性和可重復(fù)性，之前的技術(shù)無法保證。

牛津團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，則在量子門傳送的確定性問題上實(shí)現(xiàn)了突破——在作者設(shè)計(jì)的傳輸鏈路上，實(shí)現(xiàn)了高保真度確定性傳送，并以71%的成功率運(yùn)行了Grover搜索算法。

作者介紹，這是首次實(shí)現(xiàn)由多個(gè)非局域兩量子比特門組成的分布式量子算法。

有網(wǎng)友評(píng)價(jià)稱，這是量子計(jì)算的一個(gè)重大里程碑——

雖然不同于科幻場景中的“傳送”（指宏觀物體的傳送），但跨處理器傳輸量子信息可以讓我們更接近（實(shí)現(xiàn)）實(shí)用的量子網(wǎng)絡(luò)。

遠(yuǎn)程糾纏的建立

這項(xiàng)研究的核心思路是利用量子糾纏作為資源，通過量子門傳送，在兩個(gè)模塊中的量子比特電路之間執(zhí)行非局域量子門操作。

首先，兩個(gè)相距2米的捕獲離子模塊（量子通信領(lǐng)域習(xí)慣性分別稱之為“Alice”和“Bob”）各自儲(chǔ)存了一個(gè)⁸⁸Sr⁺離子和一個(gè)⁴³Ca⁺離子，分別充當(dāng)不同角色：

• ⁸⁸Sr⁺離子用作網(wǎng)絡(luò)量子比特，利用其與422nm單光子的高效耦合作為量子接口；
• ⁴³Ca⁺離子則利用其磁不敏感的基態(tài)超精細(xì)能級(jí)編碼電路量子比特，同時(shí)也充當(dāng)輔助量子比特參與局域操作。

兩個(gè)模塊先通過交換光子在Sr⁺離子之間建立遠(yuǎn)程糾纏，然后利用這種糾纏作為量子信道，結(jié)合局域操作和經(jīng)典通信，將邏輯門操作從一個(gè)模塊“傳送”到另一個(gè)模塊，從而實(shí)現(xiàn)了跨越物理距離的量子計(jì)算。

其中的第一步，就是要在兩個(gè)Sr⁺離子之間建立遠(yuǎn)程糾纏。

具體來說，對(duì)每個(gè)⁸⁸Sr⁺離子，通過波長為422nm的激光激發(fā)，使其以一定概率從基態(tài)躍遷到5P_1/2激發(fā)態(tài)，再自發(fā)輻射回到5S_1/2基態(tài)的兩個(gè)Zeeman亞能級(jí)，同時(shí)釋放出一個(gè)σ±極化的單光子。

這個(gè)過程會(huì)以很大概率產(chǎn)生最大離子-光子糾纏態(tài)。

收集到的422nm單光子會(huì)被引入單模光纖，并在一個(gè)遠(yuǎn)程的Bell態(tài)分析器中混合。

當(dāng)兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)分束器的兩個(gè)輸入端口時(shí)，它們會(huì)發(fā)生Hong-Ou-Mandel干涉并“搶占”同一個(gè)輸出端口。

如果兩個(gè)探測器恰好在符合時(shí)間窗口（約為光子相干時(shí)間）內(nèi)分別探測到一個(gè)光子，就投影兩個(gè)Sr⁺離子到一個(gè)最大糾纏Bell態(tài) 。這個(gè)過程稱為糾纏交換。

如果Bell態(tài)分析器給出符合的探測結(jié)果（每個(gè)探測器探測到一個(gè)光子），就宣告兩個(gè)Sr⁺離子之間的遠(yuǎn)程糾纏建立成功。

一旦探測成功，雙方就立即開展后續(xù)的量子操控；如果探測失敗，糾就重復(fù)步驟上述步驟，直到成功為止。

建立Sr⁺離子之間的Zeeman態(tài)糾纏后，用波長674nm的激光將兩個(gè)Sr⁺離子的基態(tài)快速轉(zhuǎn)移到耦合強(qiáng)度更大的光學(xué)躍遷上，避免后續(xù)局域操作中糾纏的退相干。

實(shí)驗(yàn)中每次嘗試的時(shí)間為1168ns，平均嘗試7084次（約103ms）就可以成功建立一次糾纏，遠(yuǎn)程糾纏態(tài)的保真度可達(dá)96.89%。

模塊內(nèi)的局域操作

遠(yuǎn)程糾纏建立后，就要開始在每個(gè)模塊內(nèi)進(jìn)行局域操作。

為了讓Ca⁺量子比特能夠與Sr⁺離子實(shí)現(xiàn)糾纏，需要先將存儲(chǔ)在Ca⁺電路量子比特上的量子態(tài)臨時(shí)映射到Ca⁺輔助量子比特上。

這一操作通過兩個(gè)Raman激光脈沖實(shí)現(xiàn)的，波長為397nm和866nm，持續(xù)時(shí)間約幾十微秒。

之后在Sr⁺和Ca⁺輔助量子比特之間執(zhí)行局域CZ門，這一步在Sr⁺與Ca⁺輔助量子比特之間實(shí)現(xiàn)最大糾纏。

采用的方法是M?lmer–S?rensen糾纏門，即兩離子同時(shí)受到一對(duì)藍(lán)/紅失諧的Raman激光作用，激光頻差接近離子鏈合適的集體振動(dòng)模式頻率。

實(shí)驗(yàn)中采用波長為402nm的Raman激光對(duì)，與Sr⁺的5S_1/2-4P_2/3躍遷(408nm)和Ca⁺的4S_1/2-4P_1/2躍遷(397nm)同時(shí)耦合，從而同時(shí)對(duì)兩種離子施加自旋依賴力，獲得理想的相互作用。

同時(shí)通過復(fù)合脈沖方案抑制離子加熱，獲得99%以上的局域糾纏保真度。

CZ門操作完成后，再用兩個(gè)Raman脈沖將Ca⁺輔助量子比特的量子態(tài)映射回電路量子比特，恢復(fù)最初的編碼方式。

整個(gè)過程相當(dāng)于在Sr⁺光學(xué)量子比特和Ca⁺電路量子比特之間實(shí)現(xiàn)了受控相位門。

離子測量和經(jīng)典傳送

接下來就到了傳送過程的關(guān)鍵步驟——兩個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要對(duì)各自的Sr⁺離子進(jìn)行中途測量并通過經(jīng)典信道交換測量結(jié)果，以完成邏輯門操作從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳送。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)用波長422nm的激光將Sr⁺離子的|S_1/2?和|D_5/2?態(tài)分別旋轉(zhuǎn)到測量基底，然后利用氟光探測技術(shù)測量Sr⁺離子的狀態(tài)，測量時(shí)間設(shè)為500μs。

處于|S_1/2?態(tài)的Sr⁺離子會(huì)與422nm激光發(fā)生耦合，產(chǎn)生明顯的熒光信號(hào);而處于|D_5/2?態(tài)的Sr⁺離子不與422nm激光耦合，因此無熒光。

通過判斷是否探測到熒光，可以識(shí)別Sr⁺的測量結(jié)果，記作mA和mB，取值為0或1。

一旦獲得Sr⁺中途測量的結(jié)果，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要立即將本地測量結(jié)果（mA或mB）通過經(jīng)典信道發(fā)送給對(duì)方，以協(xié)調(diào)后續(xù)的單量子門操作。

這里“經(jīng)典信道”指的是一條低延遲、高保真的信息傳輸通道，與量子信道區(qū)分開來。

實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立了一條TTL信號(hào)線，直接連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的FPGA控制系統(tǒng)，傳輸延遲僅為25ns。

TTL信號(hào)的高低電平就表示測量結(jié)果mA和mB的取值0或1，通過預(yù)設(shè)的通信協(xié)議，雙方可以迅速交換和解讀這一信息。

同時(shí)，為了保證雙方時(shí)鐘同步，實(shí)驗(yàn)還引入了一臺(tái)原子鐘作為共同的參考。

獲得對(duì)方的測量結(jié)果后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)本地的Ca⁺電路量子比特執(zhí)行一個(gè)條件單量子門操作，具體取決于mA和mB的組合。

當(dāng)mA ⊕ mB = 0時(shí)，執(zhí)行Identity門（什么也不做）；當(dāng)mA ⊕ mB = 1時(shí)，執(zhí)行Z門（相當(dāng)于一個(gè)π相位）。（⊕表示異或運(yùn)算）

這一操作覆蓋了中途測量對(duì)Ca⁺量子態(tài)的影響，最終實(shí)現(xiàn)了邏輯門從一個(gè)Ca⁺傳送到另一個(gè)Ca⁺。

成功運(yùn)行Grover搜索算法

通過對(duì)不同輸入態(tài)進(jìn)行量子門操作和量子態(tài)層析，作者測試了這套量子門傳送方法的保真，結(jié)果如下：

• 傳送CNOT門的保真度為86.2%，略低于理論極限；
• 傳送iSWAP門的保真度為70%，需要2次量子門傳送；
• 傳送SWAP門的保真度為64%，需要3次量子門傳送。

這一結(jié)果證明了該方案能夠以較高保真度實(shí)現(xiàn)任意雙量子門操作在兩個(gè)遠(yuǎn)程量子比特之間的傳送。

遠(yuǎn)程糾纏的保真度達(dá)到96.89%，接近理論極限，是高質(zhì)量量子門傳送的基礎(chǔ)。

量子存儲(chǔ)過程的保真度也高達(dá)98%以上，證明Ca⁺離子能很好地承載量子信息。

在此基礎(chǔ)之上，作者還構(gòu)建了基于量子門傳送的分布式量子線路，成功運(yùn)行了Grover搜索算法。

Grover算法是一種量子搜索算法，可以在未排序的數(shù)據(jù)庫中以平方級(jí)加速找到特定目標(biāo)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們使用兩個(gè)相距兩米的量子模塊來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的2量子比特版本的Grover算法。

算法的基本流程是首先將量子比特制備成等概率的疊加態(tài)，然后通過Oracle電路標(biāo)記目標(biāo)狀態(tài)，接著使用Diffusion電路放大目標(biāo)狀態(tài)的振幅。

在這個(gè)分布式系統(tǒng)中，Alice和Bob兩個(gè)模塊分別負(fù)責(zé)Oracle和Diffusion操作。

對(duì)于不同的目標(biāo)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)取得了71%的成功率，初步證明了分布式量子計(jì)算系統(tǒng)在執(zhí)行量子算法方面的可行性。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x