Nature：離 “量子互聯網” 又近一步！牛津大學證實分布式量子計算可行性

克雷西 2025-02-10 13:08:00 來源：量子位

克雷西 發自 凹非寺
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量子通信技術又迎來了新進展！

牛津大學研究人員在Nature上發表的最新研究，在兩米的距離上實現了確定性的量子門傳送，保真度達86%。

研究人員表示，這項研究給各種物理平臺的大規模量子計算提供了可行的途徑，并為量子互聯網打下了基礎。

分布式量子計算（DQC）可以在不損害性能或量子比特連接性，是執行大型量子電路的理想方式，光子網絡適合作為其中的互聯層。

借助光子網絡，通過量子門傳送（QGT）在網絡中的物質量子比特之間共享遠程糾纏，可以實現全互連的邏輯連接，但要求傳送過程具備確定性和可重復性，之前的技術無法保證。

牛津團隊的這項研究，則在量子門傳送的確定性問題上實現了突破——在作者設計的傳輸鏈路上，實現了高保真度確定性傳送，并以71%的成功率運行了Grover搜索算法。

作者介紹，這是首次實現由多個非局域兩量子比特門組成的分布式量子算法。

有網友評價稱，這是量子計算的一個重大里程碑——

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（實現）實用的量子網絡。

遠程糾纏的建立

這項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，在兩個模塊中的量子比特電路之間執行非局域量子門操作。

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

• ⁸⁸Sr⁺離子用作網絡量子比特，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超精細能級編碼電路量子比特，同時也充當輔助量子比特參與局域操作。

兩個模塊先通過交換光子在Sr⁺離子之間建立遠程糾纏，然后利用這種糾纏作為量子信道，結合局域操作和經典通信，將邏輯門操作從一個模塊“傳送”到另一個模塊，從而實現了跨越物理距離的量子計算。

其中的第一步，就是要在兩個Sr⁺離子之間建立遠程糾纏。

具體來說，對每個⁸⁸Sr⁺離子，通過波長為422nm的激光激發，使其以一定概率從基態躍遷到5P_1/2激發態，再自發輻射回到5S_1/2基態的兩個Zeeman亞能級，同時釋放出一個σ±極化的單光子。

這個過程會以很大概率產生最大離子-光子糾纏態。

收集到的422nm單光子會被引入單模光纖，并在一個遠程的Bell態分析器中混合。

當兩個光子同時到達分束器的兩個輸入端口時，它們會發生Hong-Ou-Mandel干涉并“搶占”同一個輸出端口。

如果兩個探測器恰好在符合時間窗口（約為光子相干時間）內分別探測到一個光子，就投影兩個Sr⁺離子到一個最大糾纏Bell態 。這個過程稱為糾纏交換。

如果Bell態分析器給出符合的探測結果（每個探測器探測到一個光子），就宣告兩個Sr⁺離子之間的遠程糾纏建立成功。

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

建立Sr⁺離子之間的Zeeman態糾纏后，用波長674nm的激光將兩個Sr⁺離子的基態快速轉移到耦合強度更大的光學躍遷上，避免后續局域操作中糾纏的退相干。

實驗中每次嘗試的時間為1168ns，平均嘗試7084次（約103ms）就可以成功建立一次糾纏，遠程糾纏態的保真度可達96.89%。

模塊內的局域操作

遠程糾纏建立后，就要開始在每個模塊內進行局域操作。

為了讓Ca⁺量子比特能夠與Sr⁺離子實現糾纏，需要先將存儲在Ca⁺電路量子比特上的量子態臨時映射到Ca⁺輔助量子比特上。

這一操作通過兩個Raman激光脈沖實現的，波長為397nm和866nm，持續時間約幾十微秒。

之后在Sr⁺和Ca⁺輔助量子比特之間執行局域CZ門，這一步在Sr⁺與Ca⁺輔助量子比特之間實現最大糾纏。

采用的方法是M?lmer–S?rensen糾纏門，即兩離子同時受到一對藍/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模式頻率。

實驗中采用波長為402nm的Raman激光對，與Sr⁺的5S_1/2-4P_2/3躍遷(408nm)和Ca⁺的4S_1/2-4P_1/2躍遷(397nm)同時耦合，從而同時對兩種離子施加自旋依賴力，獲得理想的相互作用。

同時通過復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Raman脈沖將Ca⁺輔助量子比特的量子態映射回電路量子比特，恢復最初的編碼方式。

整個過程相當于在Sr⁺光學量子比特和Ca⁺電路量子比特之間實現了受控相位門。

離子測量和經典傳送

接下來就到了傳送過程的關鍵步驟——兩個量子網絡節點需要對各自的Sr⁺離子進行中途測量并通過經典信道交換測量結果，以完成邏輯門操作從一個節點到另一個節點的傳送。

每個節點用波長422nm的激光將Sr⁺離子的|S_1/2?和|D_5/2?態分別旋轉到測量基底，然后利用氟光探測技術測量Sr⁺離子的狀態，測量時間設為500μs。

處于|S_1/2?態的Sr⁺離子會與422nm激光發生耦合，產生明顯的熒光信號;而處于|D_5/2?態的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，可以識別Sr⁺的測量結果，記作mA和mB，取值為0或1。

一旦獲得Sr⁺中途測量的結果，兩個節點需要立即將本地測量結果（mA或mB）通過經典信道發送給對方，以協調后續的單量子門操作。

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

實驗中兩個節點之間建立了一條TTL信號線，直接連接兩個節點的FPGA控制系統，傳輸延遲僅為25ns。

TTL信號的高低電平就表示測量結果mA和mB的取值0或1，通過預設的通信協議，雙方可以迅速交換和解讀這一信息。

同時，為了保證雙方時鐘同步，實驗還引入了一臺原子鐘作為共同的參考。

獲得對方的測量結果后，每個節點對本地的Ca⁺電路量子比特執行一個條件單量子門操作，具體取決于mA和mB的組合。

當mA ⊕ mB = 0時，執行Identity門（什么也不做）；當mA ⊕ mB = 1時，執行Z門（相當于一個π相位）。（⊕表示異或運算）

這一操作覆蓋了中途測量對Ca⁺量子態的影響，最終實現了邏輯門從一個Ca⁺傳送到另一個Ca⁺。

成功運行Grover搜索算法

通過對不同輸入態進行量子門操作和量子態層析，作者測試了這套量子門傳送方法的保真，結果如下：

• 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。

這一結果證明了該方案能夠以較高保真度實現任意雙量子門操作在兩個遠程量子比特之間的傳送。

遠程糾纏的保真度達到96.89%，接近理論極限，是高質量量子門傳送的基礎。

量子存儲過程的保真度也高達98%以上，證明Ca⁺離子能很好地承載量子信息。

在此基礎之上，作者還構建了基于量子門傳送的分布式量子線路，成功運行了Grover搜索算法。

Grover算法是一種量子搜索算法，可以在未排序的數據庫中以平方級加速找到特定目標。

在這個實驗中，他們使用兩個相距兩米的量子模塊來實現一個簡單的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，然后通過Oracle電路標記目標狀態，接著使用Diffusion電路放大目標狀態的振幅。

在這個分布式系統中，Alice和Bob兩個模塊分別負責Oracle和Diffusion操作。

對于不同的目標狀態，實驗取得了71%的成功率，初步證明了分布式量子計算系統在執行量子算法方面的可行性。

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