克雷西 發(fā)自 凹非寺量子位 | 公眾號 QbitAI
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(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。
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)絡適合作為其中的互聯(lián)層。
借助光子網(wǎng)絡，通過量子門傳送（QGT）在網(wǎng)絡中的物質量子比特之間共享遠程糾纏，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(xiàn)了突破在作者設計的傳輸鏈路上，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。
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(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(wǎng)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(tài)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(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，并在一個遠程的Bell態(tài)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(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(xù)的量子操控；如果探測失敗，就重復上述步驟，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)快速轉移到耦合強度更大的光學躍遷上，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，遠程糾纏態(tài)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(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MlmerSrensen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(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鍵步驟兩個量子網(wǎng)絡節(jié)點需要對各自的Sr+離子進行中途測量并通過經(jīng)典信道交換測量結果，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)分別旋轉到測量基底，然后利用氟光探測技術測量Sr+離子的狀態(tài)，測量時間設為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(jié)點需要立即將本地測量結果（mA或mB）通過經(jīng)典信道發(fā)送給對方，以協(xié)調后續(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果mA和mB的取值0或1，通過預設的通信協(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mA mB = 0時，執(zhí)行Identity門（什么也不做）；當mA mB = 1時，執(zhí)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(tài)的影響，最終實現(xiàn)了邏輯門從一個Ca+傳送到另一個Ca+。
成功運行Grover搜索算法通過對不同輸入態(tài)進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(xiàn)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(shù)據(jù)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(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電路標記目標狀態(tài)，接著使用Diffusion電路放大目標狀態(tài)的振幅。
在這個分布式系統(tǒng)中，Alice和Bob兩個模塊分別負責Oracle和Diffusion操作。
對于不同的目標狀態(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
