两个实验表明,非经典相关性可以以确定性的方式分布在量子网络的远距离节点之间。这项工作使扩展量子网络的路径更加平顺。
量子力学的核心是纠缠现象,即通过纠缠两个物理系统可能比在经典物理中存在更强的相关性。量子网络远距离节点之间纠缠的有效分布已成为未来量子技术的基石——从安全的长距离通信到强大的量子计算。然而,同时纠缠多个节点仍然是一个巨大的挑战。在《自然》的两篇论文中,KurpiersHumphreys等人展示了以确定性方式传递纠缠的两种方法,可以极大地促进大规模量子网络的构建。量子节点有各种形式。它们可以由一光发射器集合组成,包括嵌入在晶体中的激光冷却原子或离子。或者,它们可以依靠单个发射器,例如原子、钻石中的缺陷或超导量子比特。无论什么样的物理平台,两个节点之间纠缠的生成都需要以可扩展到许多节点的方式完成。概率方法不适合这样的任务,因为同时建立大量的纠缠节点会导致总体成功几率呈指数级下降。

例如,长距离量子通信的前景使可扩展性的挑战更加显著。与传统电信中的信号不同,量子信息不能被放大或重新生成。结果是,长距离通信需要量子中继器架构,其中通信双方之间的距离被分成为更短的节段,纠缠就在每个节段中产生。然后可以连接这些节段使长距离纠缠得以建立,以用于诸如量子隐形传态和量子密码学之类的应用。然而,如果每节段中的纠缠分布是概率性的,那么随着距离的增加,成功的概率会呈指数级下降。这种可扩展问题也存在于需要组合和纠缠许多模块的本地网络中。

克服这种限制的一种方法是以确定性的方式产生纠缠:按下按钮以获得纠缠。这是Kurpiers和其同事所展示的具有里程碑意义的进步。在他们的实验中,量子节点由两个超导量子比特组成,这些量子比特是在单独的芯片上制造的,然后通过一根90厘米长的导线连接起来(图1a)。每个量子比特与两个微波腔的器件强耦合。一个腔用于准备和读出量子比特,而另一个腔则用于促进微波光子通过导线的传输。

QC观察丨按需纠缠可能产生可扩展的量子网络-量子客

图1:纠缠按时交付。

Kurpiers及其同事的演示依赖于一个20年前的开创性提议:将量子态从发送者直接转移到接收者。作者开始准备了一个在特定状态下的量子比特,然后他们将微波脉冲应用于量子比特,导致它释放出被另一个量子比特捕获的光子。由于光子发射和捕获的过程在超导芯片中可以非常有效,所以这种设置会每隔0.02毫秒产生纠缠分布,总体保真度(衡量缠结与理想状态有多接近的参数)接近80%。实验的改进可以将总体保真度提高到90%以上,纠错程序(error-correction procedures)可能会进一步提高这个数字。最近也报道了这种按需产生的纠缠,使用了与Kurpiers及其同事不同的芯片实现。直接转移策略也是通过使用远距离原子或离子之间的光学光子来执行的。在该情况下,达到高效率的光子发射和捕获仍然是一个挑战。但是另一种克服量子网络禁止可扩展性(prohibitive scaling)的方法是将概率方法转化为确定性方法。

根据概率协议,每次产生纠缠的尝试都有很低的成功概率。但是,如果在给定的时间长度内实现足够的尝试,则可以在该时间范围内确保纠缠的产生。因此这种方法可以在预定的时间提供确定性的纠缠。但是,实现这一目标有一个关键的要求:纠缠产生的速度必须比纠缠失去的速度更快,否则纠缠可能会在交付之前消失。

2015年,一次被困离子实验成功打破了该阈值。Humphreys及其同事现在已经使用固态系统取得了同样的成就。在他们的实验中,这两个量子节点是钻石中称为氮空位中心的单个缺陷(图1b)。作者将钻石放置在相距2米的冷却设备中,然后他们通过采用“先驱”技术在氮空位中心的自旋(磁矩)之间产生了纠缠。该技术已被用于其他平台并且使得量子中继节段的基本版本成为可能。

Humphreys等人准备好两个节点,以便它们具有相同的自旋状态。对于每个系统,作者使用激光脉冲来产生氮空位中心的自旋之间的纠缠,光学光子的存在或不存在(the presence or absence of an optical photon)会发射到光纤中。来自两个系统的光纤被连接,并且在节点之间中途检测到单个光子会将两个自旋投射到纠缠状态。这是因为即使原则上也无法知道光子从哪个节点发射出去。这种单光子方案是作者工作的两个关键要素之一:它使纠缠产生的速率高于之前使用依赖双光子过程的氮空位中心的研究所能达到的速度。

第二个关键因素是存储纠缠的寿命有了极大的延长,达到了数百毫秒的时间。作者通过在储存状态产生之后将其保护起来实现了这一点。总体而言,这两个要素的结合使纠缠产生的速度几乎比失去的速度快十倍。由于这一成就,Humphreys及其同事大约每隔100毫秒就展示一次确定性的纠缠传递。

这两个研究小组期待已久的进展表明,实现功能量子网络的前景正在接近现实——无论是在超导模块之间的本地规模还是在通过光纤连接的通信节点之间的更大规模上。数字还有待改善;特别是长距离纠缠的传输速率对于实际应用而言仍然过低。然而,在不久的将来应该可以实现约100倍的增长。

为了演示大规模和长距离的量子网络,技术和工具的组合将是必要的。在其他方法中,依赖基于集合的量子存储器的互补方法正在快速发展。当与时间、频率或空间的大规模复用相结合——互联网发展所必需的一个过程——这些方法应该能够以高速率提供纠缠。

另一个重要目标是实现将微波光子链接到光学光子的高效量子转换器。这样的设备应该能够使这两个具有不同能力的研究所使用的平台连接起来。将这些模块放在一起对科学和工程来说是一个巨大的挑战,但它有望带来多功能的网络,其中量子处理器可以通过量子通信网络互连。

 

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客上发布。

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