量子通信技術(shù)又迎來了新進(jìn)展！
牛津大學(xué)研究人員在 Nature 上發(fā)表的最新研究，在兩米的距離上實現(xiàn)了確定性的量子門傳送，保真度達(dá) 86%。
研究人員表示，這項研究給各種物理平臺的大規(guī)模量子計算提供了可行的途徑，并為量子互聯(lián)網(wǎng)打下了基礎(chǔ)。
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(zhí)行大型量子電路的理想方式，光子網(wǎng)絡(luò)適合作為其中的互聯(lián)層。
借助光子網(wǎng)絡(luò)，通過量子門傳送（QGT）在網(wǎng)絡(luò)中的物質(zhì)量子比特之間共享遠(yuǎn)程糾纏，可以實現(xiàn)全互連的邏輯連接，但要求傳送過程具備確定性和可重復(fù)性，之前的技術(shù)無法保證。
牛津團(tuán)隊的這項研究，則在量子門傳送的確定性問題上實現(xiàn)了突破 —— 在作者設(shè)計的傳輸鏈路上，實現(xiàn)了高保真度確定性傳送，并以 71% 的成功率運(yùn)行了 Grover 搜索算法。
作者介紹，這是首次實現(xiàn)由多個非局域兩量子比特門組成的分布式量子算法。
有網(wǎng)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(xiàn)）實用的量子網(wǎng)絡(luò)。
遠(yuǎn)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(zhí)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(lǐng)域習(xí)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(dāng)不同角色：
88Sr+ 離子用作網(wǎng)絡(luò)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(tài)超精細(xì)能級編碼電路量子比特，同時也充當(dāng)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(yuǎn)程糾纏，然后利用這種糾纏作為量子信道，結(jié)合局域操作和經(jīng)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(xiàn)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(yuǎn)程糾纏。
具體來說，對每個 88Sr+ 離子，通過波長為 422nm 的激光激發(fā)，使其以一定概率從基態(tài)躍遷到 5P1/2 激發(fā)態(tài)，再自發(fā)輻射回到 5S1/2 基態(tài)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(chǎn)生最大離子-光子糾纏態(tài)。
收集到的 422nm 單光子會被引入單模光纖，并在一個遠(yuǎn)程的 Bell 態(tài)分析器中混合。
當(dāng)兩個光子同時到達(dá)分束器的兩個輸入端口時，它們會發(fā)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(nèi)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(tài)。這個過程稱為糾纏交換。
如果 Bell 態(tài)分析器給出符合的探測結(jié)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(yuǎn)程糾纏建立成功。
一旦探測成功，雙方就立即開展后續(xù)的量子操控；如果探測失敗，糾就重復(fù)步驟上述步驟，直到成功為止。
建立 Sr+ 離子之間的 Zeeman 態(tài)糾纏后，用波長 674nm 的激光將兩個 Sr+ 離子的基態(tài)快速轉(zhuǎn)移到耦合強(qiáng)度更大的光學(xué)躍遷上，避免后續(xù)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(yuǎn)程糾纏態(tài)的保真度可達(dá) 96.89%。
模塊內(nèi)的局域操作
遠(yuǎn)程糾纏建立后，就要開始在每個模塊內(nèi)進(jìn)行局域操作。
為了讓 Ca+ 量子比特能夠與 Sr+ 離子實現(xiàn)糾纏，需要先將存儲在 Ca + 電路量子比特上的量子態(tài)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(xiàn)的，波長為 397nm 和 866nm，持續(xù)時間約幾十微秒。
之后在 Sr + 和 Ca + 輔助量子比特之間執(zhí)行局域 CZ 門，這一步在 Sr+ 與 Ca+ 輔助量子比特之間實現(xiàn)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(lán) / 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 5S1/2-4P2/3 躍遷 (408nm) 和 Ca+ 的 4S1/2-4P1/2 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(fù)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(tài)映射回電路量子比特，恢復(fù)最初的編碼方式。
整個過程相當(dāng)于在 Sr + 光學(xué)量子比特和 Ca + 電路量子比特之間實現(xiàn)了受控相位門。
離子測量和經(jīng)典傳送
接下來就到了傳送過程的關(guān)鍵步驟 —— 兩個量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要對各自的 Sr + 離子進(jìn)行中途測量并通過經(jīng)典信道交換測量結(jié)果，以完成邏輯門操作從一個節(jié)點到另一個節(jié)點的傳送。
每個節(jié)點用波長 422nm 的激光將 Sr+ 離子的 | S1/2?和 | D5/2?態(tài)分別旋轉(zhuǎn)到測量基底，然后利用氟光探測技術(shù)測量 Sr+ 離子的狀態(tài)，測量時間設(shè)為 500μs。
處于 | S1/2?態(tài)的 Sr+ 離子會與 422nm 激光發(fā)生耦合，產(chǎn)生明顯的熒光信號; 而處于 | D5/2?態(tài)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(jié)果，記作 mA 和 mB，取值為 0 或 1。
一旦獲得 Sr+ 中途測量的結(jié)果，兩個節(jié)點需要立即將本地測量結(jié)果（mA 或 mB）通過經(jīng)典信道發(fā)送給對方，以協(xié)調(diào)后續(xù)的單量子門操作。
這里“經(jīng)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(qū)分開來。
實驗中兩個節(jié)點之間建立了一條 TTL 信號線，直接連接兩個節(jié)點的 FPGA 控制系統(tǒng)，傳輸延遲僅為 25ns。
TTL 信號的高低電平就表示測量結(jié)果 mA 和 mB 的取值 0 或 1，通過預(yù)設(shè)的通信協(xié)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(jié)果后，每個節(jié)點對本地的 Ca + 電路量子比特執(zhí)行一個條件單量子門操作，具體取決于 mA 和 mB 的組合。
當(dāng) mA ⊕ mB = 0 時，執(zhí)行 Identity 門（什么也不做）；當(dāng) mA ⊕ mB = 1 時，執(zhí)行 Z 門（相當(dāng)于一個 π 相位）。（⊕表示異或運(yùn)算）
這一操作覆蓋了中途測量對 Ca+ 量子態(tài)的影響，最終實現(xiàn)了邏輯門從一個 Ca+ 傳送到另一個 Ca+。
成功運(yùn)行 Grover 搜索算法
通過對不同輸入態(tài)進(jìn)行量子門操作和量子態(tài)層析，作者測試了這套量子門傳送方法的保真，結(jié)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(jié)果證明了該方案能夠以較高保真度實現(xiàn)任意雙量子門操作在兩個遠(yuǎn)程量子比特之間的傳送。
遠(yuǎn)程糾纏的保真度達(dá)到 96.89%，接近理論極限，是高質(zhì)量量子門傳送的基礎(chǔ)。
量子存儲過程的保真度也高達(dá) 98% 以上，證明 Ca+ 離子能很好地承載量子信息。
在此基礎(chǔ)之上，作者還構(gòu)建了基于量子門傳送的分布式量子線路，成功運(yùn)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(shù)據(jù)庫中以平方級加速找到特定目標(biāo)。
在這個實驗中，他們使用兩個相距兩米的量子模塊來實現(xiàn)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(tài)，然后通過 Oracle 電路標(biāo)記目標(biāo)狀態(tài)，接著使用 Diffusion 電路放大目標(biāo)狀態(tài)的振幅。
在這個分布式系統(tǒng)中，Alice 和 Bob 兩個模塊分別負(fù)責(zé) Oracle 和 Diffusion 操作。
對于不同的目標(biāo)狀態(tài)，實驗取得了 71% 的成功率，初步證明了分布式量子計算系統(tǒng)在執(zhí)行量子算法方面的可行性。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x
本文來自微信公眾號：量子位（ID：QbitAI），作者：克雷西，原標(biāo)題《Nature：離“量子互聯(lián)網(wǎng)”又近一步！牛津大學(xué)證實分布式量子計算可行性》
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