研究人员利用稀土离子实现了量子网络中个别存储量子比特之间纠缠多路复用的首次演示。
作为未来量子通信系统的基础，加州理工学院的工程师们成功展示了一个由两个节点组成的量子网络的操作，每个节点包含多个量子比特或量子比特——量子计算机的基本信息存储构建块。
为了实现这一目标，研究人员开发了一种以并行方式分发量子信息的新协议，有效地创建了多个发送数据的通道，或称为多路复用。这项工作是通过将镱原子嵌入晶体中并将其与光腔耦合来完成的——这些纳米级结构能够捕获和引导光。该平台具有独特的特性，使其非常适合使用多个量子比特并行传输携带量子信息的光子。
“这是量子网络中个别自旋量子比特的纠缠多路复用的首次演示，”加州理工学院应用物理和电气工程的威廉·L·瓦伦丁教授安德烈·法拉昂（Andrei Faraon）说。“该方法显著提高了节点之间的量子通信速率，代表了该领域的重大进展。”
这项工作的描述发表在2月26日的《自然》（Nature）期刊上。该论文的主要作者是安德烈·鲁斯库克（Andrei Ruskuc，博士’24），目前是哈佛大学的博士后研究员，以及加州理工学院的研究生吴春如（Chun-Ju Wu），他们在法拉昂的实验室完成了这项工作。
正如互联网连接我们今天习惯使用的经典计算机一样，未来的量子网络将连接存在于不同物理位置的量子计算机。
在量子领域工作时，研究人员正在处理个别原子和光子的微小尺度，光子是光的基本粒子。在这个尺度上，物质的行为并不符合经典物理规律；相反，量子力学起主导作用。
量子力学中最重要且最奇特的概念之一是纠缠的概念，其中两个或更多物体，如原子或光子，无论物理分离如何密切相关。这种连接是如此基本，以至于一个粒子无法在不参考另一个粒子的情况下被完全描述。因此，测量一个粒子的量子状态也提供了有关另一个粒子的信息，这对量子通信至关重要。
在量子通信中，目标是使用纠缠的原子作为量子比特来共享或传送量子信息。迄今为止限制通信速率的关键挑战是准备量子比特和传输光子所需的时间。
“纠缠多路复用通过每个处理器或节点使用多个量子比特来克服这一瓶颈。通过同时准备量子比特和传输光子，纠缠速率可以与量子比特的数量成比例地扩大，”鲁斯库克说。
在新系统中，这两个节点是由铕钕钒酸盐（YVO4）结晶制成的纳米制造结构。激光用于激发这些晶体中的镱原子（Yb3+），这是种稀土金属，导致每个原子发射一个与其保持纠缠的光子。来自两个不同节点的原子的光子随后传输到一个中心位置进行检测。该检测过程触发了一个量子处理协议，导致成对的镱原子之间纠缠态的生成。
每个节点在YVO4晶体中都有许多镱原子，因此有足够的可用量子比特。然而，这些原子每个的光学频率由于晶体内的缺陷而略有不同。
“这就像一把双刃剑，”鲁斯库克说。一方面，不同的频率允许研究人员微调激光以针对特定的原子。另一方面，科学家们曾认为，相应的光子频率差异将使得生成纠缠量子比特状态变得不可能。
“这就是我们的协议大显身手的地方。它是一种创新的方法，即使在光学跃迁不同的情况下，也能生成原子的纠缠态，”鲁斯库克说。
在新的协议中，一旦在中心位置检测到光子，原子就会进行一种定制的实时量子处理。研究人员将这种处理称为“量子前馈控制”。
“基本上，我们的协议利用从光子到达时间获得的信息，并应用量子电路：一系列针对两个量子比特的逻辑门。并且在我们应用这个电路之后，就留下了一个纠缠态，”鲁斯库克解释说。
团队的YVO4平台可以容纳许多量子比特——在这项工作中，每个节点包含大约20个。“但有可能将这个数字增加至少一个数量级，”合著者吴春如说。
“稀土离子的独特性质与我们展示的协议结合，为每个节点拥有数百个量子比特的网络铺平了道路，”法拉昂说。“我们相信这项工作为基于稀土离子的高性能量子通信系统奠定了坚实的基础。”
