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发布日期：2025-03-24 16:21 点击次数：90
克雷西 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
量子通讯技艺又迎来了新进展！
牛津大学推敲东谈主员在Nature上发表的最新推敲，在两米的距离上罢了了详情味的量子门传送，保真度达86%。
推敲东谈主员示意，这项推敲给多样物理平台的大范围量子规划提供了可行的道路，并为量子互联网打下了基础。
分散式量子规划（DQC）不错在不损伤性能或量子比特团结性，是实施大型量子电路的假想神志，光子蚁合适应营为其中的互联层。
借助光子蚁合，通过量子门传送（QGT）在蚁合中的物资量子比特之间分享云尔纠缠，不错罢了全互连的逻辑团结，但要求传送过程具备详情味和可叠加性，之前的技艺无法保证。
牛津团队的这项推敲，则在量子门传送的详情味问题上罢了了冲突——在作家遐想的传输链路上，罢了了高保真度详情味传送，并以71%的告成率运行了Grover搜索算法。
作家先容，这是初度罢了由多个非局域两量子比特门构成的分散式量子算法。
有网友评价称，这是量子规划的一个要紧里程碑——
天然不同于科幻场景中的“传送”（指宏不雅物体的传送），但跨处置器传输量子信息不错让咱们更接近（罢了）实用的量子蚁合。
云尔纠缠的拓荒
这项推敲的中枢念念路是期骗量子纠缠行动资源，通过量子门传送，在两个模块中的量子比特电路之间实施非局域量子门操作。
开首，两个相距2米的拿获离子模块（量子通讯边界风俗性分一名之为“Alice”和“Bob”）各自储存了一个88Sr+离子和一个43Ca+离子，分别充任不同变装：
88Sr+离子用作蚁合量子比特，期骗其与422nm单光子的高效耦合营为量子接口；43Ca+离子则期骗其磁不解锐的基态超缜密能级编码电路量子比特，同期也充任援手量子比特参与局域操作。两个模块先通过交换光子在Sr+离子之间拓荒云尔纠缠，然后期骗这种纠缠行动量子信谈，团结局域操作和经典通讯，将逻辑门操作从一个模块“传送”到另一个模块，从而罢了了跳跃物理距离的量子规划。
其中的第一步，即是要在两个Sr+离子之间拓荒云尔纠缠。
具体来说，对每个88Sr+离子，通过波长为422nm的激光引发，使其以一定概率从基态跃迁到5P1/2引发态，再自觉发射回到5S1/2基态的两个Zeeman亚能级，同期开释出一个σ±极化的单光子。
这个过程会以很偶然率产生最大离子-光子纠缠态。
蚁合到的422nm单光子会被引入单模光纤，并在一个云尔的Bell态分析器中羼杂。
当两个光子同期到达分束器的两个输入端口时，它们会发生Hong-Ou-Mandel干预并“霸占”兼并个输出端口。
若是两个探伤器恰恰在稳妥令代窗口（约为光子筹划时代）内分别探伤到一个光子，就投影两个Sr+离子到一个最大纠缠Bell态 。这个过程称为纠缠交换。
若是Bell态分析器给出适应的探伤成果（每个探伤器探伤到一个光子），就宣告两个Sr+离子之间的云尔纠缠拓荒告成。
一朝探伤告成，两边就立即开展后续的量子操控；若是探伤失败，纠就叠加标准上述标准，直到告成为止。
拓荒Sr+离子之间的Zeeman态纠缠后，用波长674nm的激光将两个Sr+离子的基态快速升沉到耦合强度更大的光学跃迁上，幸免后续局域操作中纠缠的退筹划。
实践中每次尝试的时代为1168ns，平均尝试7084次（约103ms）就不错告成拓荒一次纠缠，云尔纠缠态的保真度可达96.89%。
模块内的局域操作云尔纠缠拓荒后，就要启动在每个模块内进行局域操作。
为了让Ca+量子比特能够与Sr+离子罢了纠缠，需要先将存储在Ca+电路量子比特上的量子态临时映射到Ca+援手量子比特上。
这一操作通过两个Raman激光脉冲罢了的，波长为397nm和866nm，握续时代约几十微秒。
之后在Sr+和Ca+援手量子比特之间实施局域CZ门，这一步在Sr+与Ca+援手量子比特之间罢了最大纠缠。
聘用的表率是Mølmer–Sørensen纠缠门，即两离子同期受到一双蓝/红失谐的Raman激光作用，激光频差接近离子链合适的集体振动格式频率。
实践中聘用波长为402nm的Raman激光对，与Sr+的5S1/2-4P2/3跃迁(408nm)和Ca+的4S1/2-4P1/2跃迁(397nm)同期耦合，从而同期对两种离子施加自旋依赖力，取得假想的互相作用。
同期通过复合脉冲有盘算拦截离子加热，取得99%以上的局域纠缠保真度。
CZ门操作完成后，再用两个Raman脉冲将Ca+援手量子比特的量子态映射来电路量子比特，还原领先的编码神志。
通盘这个词过程终点于在Sr+光学量子比特和Ca+电路量子比特之间罢了了受控相位门。
离子测量和经典传送接下来就到了传送过程的要害标准——两个量子蚁合节点需要对各自的Sr+离子进行半途测量并通过经典信谈交换测量成果，以完成逻辑门操作从一个节点到另一个节点的传送。
每个节点用波长422nm的激光将Sr+离子的|S1/2⟩和|D5/2⟩态分别旋转到测量基底，然后期骗氟光探伤技艺测量Sr+离子的情状，测量时代设为500μs。
处于|S1/2⟩态的Sr+离子会与422nm激光发生耦合，产生彰着的荧光信号;而处于|D5/2⟩态的Sr+离子不与422nm激光耦合，因此无荧光。
通过判断是否探伤到荧光，不错识别Sr+的测量成果，记作mA和mB，取值为0或1。
一朝取得Sr+半途测量的成果，两个节点需要立行将土产货测量成果（mA或mB）通过经典信谈发送给对方，以调解后续的单量子门操作。
这里“经典信谈”指的是一条低延长、高保果然信息传输通谈，与量子信谈离别开来。
实践中两个节点之间拓荒了一条TTL信号线，平直团结两个节点的FPGA戒指系统，传输延长仅为25ns。
TTL信号的高下电平就示意测量成果mA和mB的取值0或1，通过预设的通讯左券，两边不错飞快交换息争读这一信息。
同期，为了保证两边时钟同步，实践还引入了一台原子钟行动共同的参考。
取得对方的测量成果后，每个节点对土产货的Ca+电路量子比特实施一个条目单量子门操作，具体取决于mA和mB的组合。
当mA ⊕ mB = 0时，实施Identity门（什么也不作念）；当mA ⊕ mB = 1时，实施Z门（终点于一个π相位）。（⊕示意异或运算）
这一操作掩饰了半途测量对Ca+量子态的影响，最终罢了了逻辑门从一个Ca+传送到另一个Ca+。
告成运行Grover搜索算法通过对不同输入态进行量子门操作和量子态层析，作家测试了这套量子门传送表率的保真，成果如下：
传送CNOT门的保真度为86.2%，略低于表面极限；传送iSWAP门的保真度为70%，需要2次量子门传送；传送SWAP门的保真度为64%，需要3次量子门传送。这一成果讲明了该有盘算能够以较高保真度罢了纵脱双量子门操作在两个云尔量子比特之间的传送。
云尔纠缠的保真度达到96.89%，接近表面极限，是高质料量子门传送的基础。
量子存储过程的保真度也高达98%以上，讲明Ca+离子能很好地承载量子信息。
在此基础之上，作家还构建了基于量子门传送的分散式量子默契，告成运行了Grover搜索算法。
Grover算法是一种量子搜索算法，不错在未排序的数据库中以闲居级加快找到特定见地。
在这个实践中，他们使用两个相距两米的量子模块来罢了一个肤浅的2量子比特版块的Grover算法。
算法的基本过程是开首将量子比特制备成等概率的叠加态，然后通过Oracle电路标识见地情状，接着使用Diffusion电路放大见地情状的振幅。
在这个分散式系统中，Alice和Bob两个模块分别发挥Oracle和Diffusion操作。
关于不同的见地情状，实践取得了71%的告成率，初步讲明了分散式量子规划系统在实施量子算法方面的可行性。
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x
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