我國(guó)科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)無(wú)串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
量子網(wǎng)絡(luò)是基于量子力學(xué)規(guī)律對(duì)量子信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)奈锢硌b置，是實(shí)現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計(jì)算的基礎(chǔ)。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用同種離子的雙類(lèi)型量子比特編碼，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)無(wú)串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計(jì)算具有重要意義。該研究成果近日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。
量子網(wǎng)絡(luò)可由不同的物理載體實(shí)現(xiàn)，離子阱是其中最有潛力的物理系統(tǒng)之一。離子-光子糾纏是實(shí)現(xiàn)離子阱量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟，但該操作會(huì)影響離子存儲(chǔ)比特，導(dǎo)致信息丟失。為避免這種串?dāng)_現(xiàn)象，研究人員通常采用不同種類(lèi)的離子來(lái)分別產(chǎn)生離子-光子糾纏和存儲(chǔ)量子信息，抑制串?dāng)_誤差。然而，這種方法往往需要的器件成本較高，在操作中還需精細(xì)控制不同種類(lèi)離子的比例和位置，且不同離子間的協(xié)同冷卻效率低，操作難度大。
圖為無(wú)串?dāng)_量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演示圖（受訪(fǎng)者供圖）
為此，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授課題組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，創(chuàng)造性提出使用同種離子的雙類(lèi)型量子比特實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方案。清華大學(xué)交叉信息研究院助理研究員黃園園介紹，他們利用同種離子的兩對(duì)超精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)，分別編碼出量子網(wǎng)絡(luò)中用于與光子產(chǎn)生糾纏的“通訊比特”和用于存儲(chǔ)信息的“存儲(chǔ)比特”。同時(shí)，利用激光還實(shí)現(xiàn)了兩種量子比特間微秒量級(jí)的相干轉(zhuǎn)換。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)此方法制備出的通訊比特，可在數(shù)百毫秒的時(shí)間內(nèi)生成離子-光子糾纏；通過(guò)自旋回波方法可延長(zhǎng)存儲(chǔ)比特的存儲(chǔ)壽命，實(shí)現(xiàn)相干時(shí)間達(dá)到秒量級(jí)的存儲(chǔ)量子比特。通過(guò)比較有無(wú)離子-光子糾纏生成操作時(shí)存儲(chǔ)比特的保真度變化，研究人員證實(shí)了兩種量子比特之間低于實(shí)驗(yàn)精度的串?dāng)_誤差，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
圖為清華大學(xué)交叉信息研究院博士生馮路（左）和助理研究員黃園園（右）正在實(shí)驗(yàn)室研究（受訪(fǎng)者供圖）
中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)交叉信息研究院教授段路明表示，相較于此前采用不同種類(lèi)離子產(chǎn)生離子-光子糾纏和存儲(chǔ)量子信息的方案，這一新方案在硬件上極大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，保證了信息傳播及存儲(chǔ)的效果，向未來(lái)量子計(jì)算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)的模塊化邁出了重要一步。
（記者魏夢(mèng)佳）
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