发布时间：2025-05-28 05:52:38 来源：锐评时讯 作者：新闻
量子通讯技能又迎来了新进展！
牛津大学研讨人员在 Nature 上宣布的最新研讨，在两米的间隔上完结了确定性的量子门传送。，保真度达 86%。
研讨人员表明，这项研讨给各种物理渠道的。大规模量子核算。供给了可行的途径，并为量子互联网打下了根底。
分布式量子核算（DQC）能够在不危害功能或量子比特衔接性，是履行大型量子电路的抱负办法，光子网络适宜作为其间的互联层。
凭借光子网络，经过量子门传送（QGT）在网络中的物质量子比特之间同享长途羁绊，能够完结全互连的逻辑衔接，但。要求传送进程具有确定性和可重复性。，之前的技能无法确保。
牛津团队的这项研讨，则。在量子门传送确实定性问题上完结了打破。—— 在作者规划的传输链路上，完结了高保真度确定性传送，并以 71% 的成功率运转了 Grover 搜索算法。。
作者介绍，这是初次完结由多个非局域两量子比特门组成的分布式量子算法。
有网友点评称，这是量子核算的一个严重里程碑 ——。
尽管不同于科幻场景中的“传送”（指微观物体的传送），但跨处理器传输量子信息能够让我们更挨近（完结）有用的量子网络。
这项研讨的中心思路是。运用量子羁绊作为资源，经过量子门传送，在两个模块中的量子比特电路之间履行非局域量子门操作。。
首要，两个相距 2 米的捕获离子模块（量子通讯范畴习惯性别离称之为“Alice”和“Bob”）各自贮存了一个。 88Sr+。离子和一个。 43Ca+。离子，别离充任不同人物：
88。Sr。+。离子用作。网络量子比特。，运用其与 422nm 单光子的高效耦合作为量子接口；
43。Ca。+。离子则运用其磁不灵敏的基态超精密能级编码。电路量子比特。，一起也充任。辅佐量子比特。参加局域操作。
两个模块先经过交流光子在 Sr。+。离子之间。树立长途羁绊。，然后运用这种羁绊作为量子信道，结合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，然后完结了跨过物理间隔的量子核算。
其间的第一步，便是要在两个 Sr。+。离子之间树立长途羁绊。
详细来说，对每个。88。Sr。+。离子，经过波长为 422nm 的激光激起，使其以必定概率从基态跃迁到 5P。1/2。激起态，再自发辐射回到 5S。1/2。基态的两个 Zeeman 亚能级，一起释放出一个 σ± 极化的单光子。
这个进程会以很大概率发生最大离子-光子羁绊态。。
收集到的 422nm 单光子会被引进单模光纤，并在一个长途的 Bell 态分析器中混合。
当两个光子一起抵达分束器的两个输入端口时，它们会发生。 Hong-Ou-Mandel 干与。并“抢占”同一个输出端口。
假如两个勘探器恰好在契合时刻窗口（约为光子相干时刻）内别离勘探到一个光子，就投影两个 Sr。+。离子到一个最大羁绊 Bell 态。这个进程称为羁绊交流。。
假如 Bell 态分析器给出契合的勘探成果（每个勘探器勘探到一个光子），就宣告两个 Sr。+。离子之间的长途羁绊树立成功。
一旦勘探成功，两边就当即展开后续的量子控制；假如勘探失利，纠就重复进程上述进程，直到成功停止。
树立 Sr。+。离子之间的 Zeeman 态羁绊后，用波长 674nm 的激光将两个 Sr。+。离子的基态快速转移到耦合强度更大的光学跃迁上，防止后续局域操作中羁绊的退相干。
试验中每次测验的时刻为 1168ns，均匀测验 7084 次（约 103ms）就能够成功树立一次羁绊，长途羁绊态的保真度可达 96.89%。。
长途羁绊树立后，就要开端在每个模块内进行。局域操作。。
为了让 Ca。+。量子比特能够与 Sr。+。离子完结羁绊，需求先。将存储在 Ca + 电路量子比特上的量子态暂时映射到 Ca + 辅佐量子比特上。。
这一操作经过两个 Raman 激光脉冲完结的，波长为 397nm 和 866nm，持续时刻约几十微秒。
之后。在 Sr + 和 Ca + 辅佐量子比特之间履行局域 CZ 门。，这一步在 Sr。+。与 Ca。+。辅佐量子比特之间完结最大羁绊。
选用的办法是。 Mølmer–Sørensen 羁绊门。，即两离子一起遭到一对蓝 / 红失谐的 Raman 激光效果，激光频差挨近离子链适宜的团体振动模式频率。
试验中选用波长为 402nm 的 Raman 激光对，与 Sr。+。的 5S。1/2。-4P。2/3。跃迁 (408nm) 和 Ca。+。的 4S。1/2。-4P。1/2。跃迁 (397nm) 一起耦合，然后一起对两种离子施加自旋依靠力，取得抱负的相互效果。
一起经过复合脉冲计划按捺离子加热，取得 99% 以上的局域羁绊保真度。
CZ 门操作完结后，再用两个 Raman 脉冲。将 Ca + 辅佐量子比特的量子态映射回电路量子比特。，康复开始的编码办法。
整个进程。相当于在 Sr + 光学量子比特和 Ca + 电路量子比特之间完结了受控相位门。。
接下来就到了传送进程的关键进程 —— 两个量子网络节点需求。对各自的 Sr + 离子进行半途丈量并经过经典信道交流丈量成果。，以完结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 | S。1/2。⟩和 | D。5/2。⟩态别离旋转到丈量基底，然后运用氟光勘探技能丈量 Sr。+。离子的状况，丈量时刻设为 500μs。
处于 | S。1/2。⟩态的 Sr。+。离子会与 422nm 激光发生耦合，发生显着的荧光信号; 而处于 | D。5/2。⟩态的 Sr。+。离子不与 422nm 激光耦合，因而无荧光。
经过判别。是否勘探到荧光。，能够辨认 Sr。+。的丈量成果，记作 mA 和 mB，取值为 0 或 1。
一旦取得 Sr。+。半途丈量的成果，两个节点需求当行将本地丈量成果（mA 或 mB）。经过经典信道发送给对方。，以和谐后续的单量子门操作。
这儿“经典信道”指的是一条低推迟、高保真的信息传输通道，与量子信道区别开来。
试验中两个节点之间树立了一条 TTL 信号线，直接衔接两个节点的 FPGA 控制体系，传输推迟仅为 25ns。
TTL 信号的凹凸电平就表明丈量成果 mA 和 mB 的取值 0 或 1，经过预设的通讯协议，两边能够敏捷交流和解读这一信息。
一起，为了确保两边时钟同步，试验还引进了一台原子钟作为一起的参阅。
取得对方的丈量成果后，每个节点。对本地的 Ca + 电路量子比特履行一个条件单量子门操作。，详细取决于 mA 和 mB 的组合。
当 mA ⊕ mB = 0 时，履行 Identity 门（什么也不做）；当 mA ⊕ mB = 1 时，履行 Z 门（相当于一个 π 相位）。（⊕表明异或运算）。
这一操作覆盖了半途丈量对 Ca。+。量子态的影响，终究完结了逻辑门从一个 Ca。+。传送到另一个 Ca。+。。
经过对不同输入态进行量子门操作和量子态层析，作者测试了这套量子门传送办法的保真，成果如下：
传送 CNOT 门的保真度为 86.2%，略低于理论极限；
传送 iSWAP 门的保真度为 70%，需求 2 次量子门传送；
传送 SWAP 门的保真度为 64%，需求 3 次量子门传送。
这一成果证明了。该计划能够以较高保真度完结恣意双量子门操作在两个长途量子比特之间的传送。。
长途羁绊的保真度到达 96.89%，挨近理论极限，是高质量量子门传送的根底。
量子存储进程的保真度也高达 98% 以上，证明 Ca。+。离子能很好地承载量子信息。
在此根底之上，作者还构建了根据量子门传送的分布式量子线路，成功运转了 Grover 搜索算法。。
Grover 算法是一种量子搜索算法，能够在未排序的数据库中以平方级加快找到特定方针。
在这个试验中，他们运用两个相距两米的量子模块来完结一个简略的 2 量子比特版别的 Grover 算法。
算法的根本流程是首要将量子比特制备成等概率的叠加态，然后经过 Oracle 电路符号方针状况，接着运用 Diffusion 电路扩大方针状况的振幅。
在这个分布式体系中，Alice 和 Bob 两个模块别离担任 Oracle 和 Diffusion 操作。
关于不同的方针状况，试验取得了 71% 的成功率，开始证明了分布式量子核算体系在履行量子算法方面的可行性。。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x。
本文来自微信大众号：量子位（ID：QbitAI），作者：克雷西，原标题《Nature：离“量子互联网”又近一步！牛津大学证明分布式量子核算可行性》。
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