遠程固態量子位的多節點量子網絡的實現_風聞

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遠程固態量子位的多節點量子網絡的實現

由歐盟量子技術旗艦項目、荷蘭科學研究組織以及奧地利國家科學基金等機構的聯合支持，荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員實現了一種基於三節點糾纏的量子網絡，能夠完成多節點量子網絡的所有元素實現和集成。相關工作發表在《Science》上。

未來量子網絡在多個節點上共享糾纏將實現一系列應用，如安全通信、分佈式量子計算、增強傳感和量子力學基礎測試。 在過去的十年中，人們致力於實現這樣一個網絡的構建模塊：量子節點能夠建立遠程糾纏鏈路，以及本地存儲、處理和讀取量子信息。

通過光通道在一對單獨控制的量子比特之間產生糾纏，用捕獲離子和原子、金剛石氮環境（NV）中心和量子點證明了糾纏的產生。 此外，在這些基本的兩節點鏈路上還探索了一些量子網絡原語，包括非局域量子門和糾纏蒸餾。

到目前為止，將這些量子比特平台移到兩節點實驗之外仍然是一個突出的挑戰，因為這是幾個苛刻要求的結合。這需要多個高性能量子節點，包括一個具有光接口的通信量子比特以及一個用於存儲和處理的高效存儲量子比特。此外，單個糾纏鏈路需要嵌入到多節點量子網絡中，需要可伸縮的體系結構和多節點控制協議。 可擴展架構和多節點控制協議。

為此，研究人員提出了一種量子網絡結構以及對應的網絡操作協議。該量子網絡由三個空間分離的量子節點組成，每個節點由一個作為通信量子位的NV中心電子自旋組成。中間節點使用碳-13核自旋作為記憶量子位。通信量子位的初始化和單次讀出通過共振光激發和狀態相關熒光的測量來執行。電子核寄存器上的通用量子邏輯是通過在芯片上傳送定製的微波脈衝來實現的。這些節點通過量子信號的光纖網絡連接，以及用於同步控制操作和中繼預告信號的經典通信信道。遠程糾纏的產生取決於發射光子之間的不可分辨性。對於剩餘偏移，他們則通過直流斯塔克調諧在每個節點用芯片上產生偏置場來消除。

對於該量子網絡的操作，他們通過運行兩個關鍵的量子網絡協議來實現。首先，他們在三個節點上建立格林伯格-霍恩-澤林格(GHZ)糾纏態。其次，通過中間節點執行糾纏交換。由於對所有量子位的有效相干保護，加上實時前饋操作，這些協議以一種預示的方式實現，提供了準備進一步使用的最終狀態。研究人員還演示了兩個規範的網絡協議:真正的多部分糾纏的分佈和兩個非最近鄰節點的糾纏交換。

這項工作通過糾纏交換實現了三個節點上的多部分糾纏分佈和任意對任意的連通性，為探索、測試和開發多節點量子網絡協議和量子網絡控制堆棧建立了一個關鍵平台，例如，通過擴展節點的本地寄存器。研究人員在一個類似的設備上演示了一個完全控制的10量子位寄存器。此外，該網絡為開發和測試高級量子網絡控制層提供了一個強大的平台，例如最近提出的量子網絡鏈路層協議。NV光子的量子頻率轉換可用於連接網絡節點與部署的電信光纖，為在大都市距離上進行短期量子網絡測試鋪平了道路。最後，這裏開發的方法為將來達到相同成熟度的類似平台提供指導。