我國科學家成功實現無串擾的量子網絡節點

據清華大學交叉信息研究院微信公眾號1月9日消息，該院段路明研究組近期利用同種離子的雙類型量子比特編碼首次實現了無串擾的量子網絡結點，該工作對未來實現大規模量子網絡和量子計算具有重要意義。該成果論文近日發表於國際學術期刊Nature Communications（《自然·通訊》）。

量子網絡是實現量子互聯網的基礎，也是量子計算機規模化的一種重要途徑，生成離子-光子糾纏是實現離子阱量子網絡的關鍵步驟。此前，為了實現無串擾的離子-光子糾纏，研究人員通常採用不同種類的離子分別來產生離子-光子糾纏（稱為“通訊離子”）和存儲量子信息（稱為“存儲離子”），這樣可以使得通訊離子散射的光子遠失諧於存儲離子的躍遷頻率，從而抑制串擾誤差。然而，這類方案需要精細控制不同種類離子的比例和位置，且協同冷卻效率低，難以實現不同離子間的量子邏輯門操作。

圖一 實驗方案示意圖

為了克服上述困難，段路明研究組提出使用同種離子的雙類型量子比特實現量子網絡結點的方案。該方案利用同種離子的兩對超精細結構能級分別編碼通訊比特和存儲比特（S-比特和F-比特），並利用411 nm和3432 nm的雙色窄線寬激光實現了兩種量子比特之間微秒量級的相干轉換。一方面，研究人員演示了利用S-比特在數百毫秒的時間尺度內生成離子-光子糾纏；另一方面，研究人員通過自旋迴波方法延長F-比特的存儲壽命，實現相干時間達到秒量級的存儲量子比特。通過比較有無離子-光子糾纏生成操作時存儲比特的保真度變化，研究人員證實了兩種量子比特之間低於實驗精度的串擾誤差，從而實現了無串擾的量子網絡節點。

相較於之前採用不同種類離子的方案，該方案極大簡化了實驗系統，向着未來量子計算機和量子網絡的模塊化邁出了重要一步。

圖二 無串擾量子網絡結點演示圖