Nature：离 “量子互联网” 又近一步，牛津大学证实分布式量子计算可行性

xxn 阅读：48795 2025-02-10 14:02:58 评论：0

```html

量子通信技术再登新高峰！

牛津大学的研究小组在《自然》期刊上发布的新研究中，在两米的距离内成功实现了确定性的量子门传递，保真度高达 86%。

研究人员指出，这一成果为不同物理平台的大规模量子计算奠定了基础，并为量子互联网的发展提供了重要的技术支持。

分布式量子计算（DQC）是一种极佳的执行大型量子电路的方法，它能够保持高性能且不牺牲量子比特之间的连接性，而光子网络则成为其中重要的互联层。

通过光子网络，利用量子门传送（QGT）可以在网络中的量子比特之间实现远程纠缠的共享，从而构建全互连的逻辑连接，然而过程中的传递必须是确定性和可重复的，而以往的技术无法满足这一要求。

牛津团队的研究在量子门传送的确定性方面取得了显著突破——通过设计的传输链路，实现了高保真度的确定性传送，并以 71% 的成功率运行了 Grover 搜索算法。

这被认为是首次成功实现多个非局域两量子比特门的分布式量子算法。

不少网友对此表示，这标志着量子计算的一大进步 ——

虽然与科幻作品中的“瞬移”（宏观物体的传送）不同，但跨处理器传递量子信息让我们朝着实用的量子网络更进一步。

建立远程纠缠

该项研究的核心在于利用量子纠缠作为资源，通过量子门传送在两个模块的量子比特电路之间实现非局域量子门操作。

实验中，两个相距2米的捕获离子模块（分别称为“Alice”和“Bob”）各自储存了一颗 88Sr+ 离子和一颗 43Ca+ 离子，分别扮演不同的角色：

⁸⁸Sr⁺ 离子作为网络量子比特，借助其与 422nm 单光子的高效耦合作为量子接口；
⁴³Ca⁺ 离子则利用其磁不敏感的基态超精细能级编码电路量子比特，同时还作为辅助量子比特参与局域操作。

两个模块先通过交换光子在 Sr⁺ 离子之间建立了远程纠缠，之后利用这种纠缠作为量子信道，结合局域操作及经典通信，将逻辑门操作从一个模块“传输”到另一个模块，从而完成了跨物理距离的量子计算。

建立远程纠缠的第一步是要在两个 Sr⁺ 离子间实现远程纠缠。

具体而言，利用 422nm 的激光激发每个⁸⁸Sr⁺ 离子，使其以一定几率从基态跃迁到 5P_1/2 激发态，并再自发辐射回到 5S_1/2 基态的两个 Zeeman 亚能级，同时释放出一个 σ± 极化的单光子。

这个过程将会以较高概率产生最大离子-光子纠缠态。

收集的 422nm 单光子会被引入单模光纤中，并在远程的 Bell 态分析器中进行混合。

当两个光子同时到达分束器的两个输入端口时，它们会发生 Hong-Ou-Mandel 干涉，并“抢占”同一输出端口。

如果两个探测器在符合的时间窗口（约为光子相干时间）内分别探测到一个光子，就会将两个 Sr⁺ 离子的状态投影到最大纠缠的 Bell 态。该过程称为纠缠交换。

如果 Bell 态分析器得到符合的探测结果（每个探测器探测到一个光子），就表示两个 Sr⁺ 离子间的远程纠缠已经成功建立。

一旦探测成功，双方会立刻进行后续量子操作；如果未成功，则会重复上述过程，直到成功为止。

在成功建立 Sr⁺ 离子之间的 Zeeman 态纠缠后，使用波长 674nm 的激光快速将两个 Sr⁺ 离子的基态转移至更强的光学耦合状态，防止后续局域操作中纠缠的退相干。

实验中，每次尝试的时间为 1168ns，平均需7084次尝试（约 103ms）才能成功建立一次纠缠，远程纠缠态的保真度达 96.89%。

模块内的局域操作

远程纠缠建立后，需要在每个模块内进行局域操作。

为了使 Ca⁺ 量子比特能与 Sr⁺ 离子实现纠缠，需先将存储在 Ca⁺ 电路量子比特上的量子态临时映射至 Ca⁺ 辅助量子比特。

该操作由两个波长为 397nm 和 866nm 的 Raman 激光脉冲完成，持续时间约为几十微秒。

接下来，在 Sr⁺ 和 Ca⁺ 辅助量子比特之间执行局域 CZ 门，以实现最大纠缠。

此过程采用 Mølmer–Sørensen 纠缠门，使两离子同时受到一对蓝/红失谐的 Raman 激光影响，激光频差与离子链的集体振动模式频率相接近。

实验中采用波长为 402nm 的 Raman 激光，与 Sr⁺ 的 5S_1/2-4P_2/3跃迁 (408nm) 和 Ca⁺ 的 4S_1/2-4P_1/2跃迁 (397nm) 同时耦合，能够对两种离子施加相互作用。

采用复合脉冲的方案抑制离子加热，获得超过 99% 的局域纠缠保真度。

CZ 门操作完成后，再用两个 Raman 脉冲将 Ca⁺ 辅助量子比特的量子态映射回电路量子比特，以恢复最初的编码状态。

整体过程等同于在 Sr⁺ 光学量子比特和 Ca⁺ 电路量子比特间实现受控相位门。

离子测量与经典信息传输

接下来进入传送过程中的关键步骤 —— 两个量子网络节点需要对各自的 Sr⁺ 离子进行中途测量并通过经典信道交流测量结果，以完成逻辑门操作的传送。

每个节点使用波长 422nm 的激光将 Sr⁺ 离子的 | S_1/2⟩和 | D_5/2⟩态旋转到测量基底，并通过氟光探测技术进行 Sr⁺ 离子的状态测量，测量时间为 500μs。

处于 | S_1/2⟩态的 Sr⁺ 离子将与 422nm 激光发生耦合产生明显的荧光信号，而处于 | D_5/2⟩态的离子则不会与激光耦合，因此不会发光。

通过观察是否有荧光信号，可辨识 Sr⁺ 的测量结果，命名为 mA 和 mB，值为 0 或 1。

获得 Sr⁺ 的测量结果后，每个节点需立即通过经典信道将本地测量结果（mA 或 mB）发送给对方，以协调后续的单量子门操作。

在这里，“经典信道”指的是一种低延迟、高保真的信息传输方式，与量子信道相对。

实验中，两个节点间建立了TTL信号线，直接链接它们的FPGA控制系统，传输延迟仅为 25ns。

TTL信号的高、低电平代表测量结果 mA 和 mB 的取值（0 或 1），双方能根据预设的通信协议迅速交换和解读信息。

为了保持同步，实验中还引入了原子钟作为参考。

获取对方测量结果后，每个节点需对本地的 Ca⁺ 电路量子比特应用条件单量子门操作，依据 mA 和 mB 的组合。

当 mA ⊕ mB = 0 时，执行 Identity 门（无操作）；当 mA ⊕ mB = 1 时，执行 Z 门（相当于 π 相位），其中⊕表示异或运算。

此操作抵消了中途测量对 Ca⁺ 量子态的影响，最终实现了逻辑门的传播，从一个 Ca⁺ 移动到另一个 Ca⁺。

成功运行 Grover 搜索算法

通过对不同输入态应用量子门操作及量子态层析，研究小组评估了此量子门传送方法的保真度，结果如下：

传送 CNOT 门的保真度为 86.2%，略低于理论极限；
传送 iSWAP 门的保真度为 70%，需进行 2 次量子门传送；
传送 SWAP 门的保真度为 64%，需进行 3 次量子门传送。

这一成果表明该方案能够以高保真度实现在两个远程量子比特之间的任意双量子门操作传送。

远程纠缠的保真度达到 96.89%，接近理论极限，成为高质量量子门传送的基础。

量子存储过程的保真度超过 98%，证明 Ca⁺ 离子能够很好地承载量子信息。

在此基础上，研究人员还构建了基于量子门传送的分布式量子线路，成功运行了 Grover 搜索算法。

Grover 算法是一种量子搜索算法，可以在未排序的数据库中以平方级速度找到特定目标。

在此次实验中，他们使用两个相隔两个米的量子模块实现了一个简单的 2 量子比特版本的 Grover 算法。

算法的基本过程是首将量子比特制备为等概率的叠加态，然后通过 Oracle 电路标记目标状态，最后使用 Diffusion 电路放大目标状态的幅度。

在这套分布式系统中，Alice 和 Bob 两个模块各自负责 Oracle 和 Diffusion 操作。

对于不同的目标状态，实验获得了 71% 的成功率，初步证明了分布式量子计算系统在执行量子算法的可行性。

论文链接：

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

本文来自微信公众号：量子位（ID：QbitAI），作者：克雷西，原标题《Nature：离“量子互联网”又近一步！牛津大学证实分布式量子计算可行性》

广告声明：文内含有的对外跳转链接（包括不限于超链接、二维码、口令等形式），用于传递更多信息，节省甄选时间，结果仅供参考。

```

声明

1.本站遵循行业规范，任何转载的稿件都会明确标注作者和来源；2.本站的原创文章，请转载时务必注明文章作者和来源，不尊重原创的行为我们将追究责任；3.作者投稿可能会经我们编辑修改或补充。