芝加哥大学普利茲克分子工程学院(Pritzker School of Molecular Engineering at University of Chicago, PME)的研究人员,成功通过通信电缆发送纠缠的量子比特,该通信电缆将一个量子网络节点和另一个节点相连接。这对于量子计算领域来说,是一项重大突破。

实验使用超导量子比特和可电控的微型低温线路来进行该研究,研究人员还通过同一根电缆加强放大了纠缠态。首先,他们利用电缆,将两个节点中的两个量子比特相纠缠。然后,将这些量子比特与节点中其他的量子比特进行进一步纠缠。

研究人员首次通过通信信道,发送纠缠态下的量子比特-量子客
图|通过通信电缆发送量子比特纠缠态(来源:芝加哥大学)

该研究成果以“Deterministic multi-qubit entanglement in a quantum network”(量子网络中的多量子比特纠缠的确定性)为题,发表在《自然》杂志上[2]。这一研究有助于赋能量子计算,为未来量子通信网络奠定基础。

领导该研究的Andrew Cleland教授表示,研究如何成功传输纠缠态,对于扩大量子计算规模来说,十分关键。

 

1. 通过网络发送纠缠光子

研究人员为了能够通过一根一米长的超导通信电缆发送纠缠态,他们创建了一个实验装置,两个节点中每个节点有三个超导量子。

然后,他们将每个节点中的一个量子比特连接到电缆上,以微波光子的形式通过电缆发送量子态,达到最小信息损失量。实验过程中,脆弱的量子态使得这个过程相当具有挑战性。

其中一名研究人员开发了一个系统,该系统使整个传输过程仅需要几十纳秒(一纳秒相当于十亿分之一秒)。这一举措使得研究人员们成功发送纠缠量子态的同时,保证极少的信息损失量。

该系统还允许他们“放大”量子比特的纠缠态。研究人员在每个节点中,使用一个量子比特,并通过电缆发送一个半光子,将它们纠缠在一起。

然后,再将这一纠缠,扩展到每个节点中的其他量子比特上。当这些步骤完成之后,两个节点中的全部六个量子比特,都处于一个全局的纠缠态中。

 

2. 创建一个规模化、网络化的量子计算机

在未来,量子计算机很有可能建立在由纠缠量子比特进行计算的模块之上。

而最终,这些量子计算机也许会由许多这样的联网模块组成,就像今天的超级计算机在许多相互连接的中央处理器上进行并行计算一样。

能够在不同的模块或节点中,远程纠缠量子比特,是实现这种模块化方法的一个重大进步。

因为模块与模块之间需要相互发送复杂的量子态,所以未来量子通信网络的发展,也许会利用到这一行为。

团队的下一步是将他们的系统,扩展到三个节点,来构建三方纠缠。希望展示超导量子比特,对于未来量子计算发展的全部潜力。

 

 

参考链接:

[1]https://pme.uchicago.edu/news/first-time-researchers-send-entangled-qubit-states-through-communication-channel

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03288-7

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁 艳