我國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)無串?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)律對量子信息進(jìn)行存儲、處理和傳輸?shù)奈锢硌b置，是實(shí)現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計算的基礎(chǔ)。清華大學(xué)研究團(tuán)隊利用同種離子的雙類型量子比特編碼，在國際上首次實(shí)現(xiàn)無串?dāng)_的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，對未來實(shí)現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計算具有重要意義。該研究成果近日發(fā)表于國際學(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，但該操作會影響離子存儲比特，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的離子來分別產(chǎn)生離子-光子糾纏和存儲量子信息，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。

圖為無串?dāng)_量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演示圖。

為此，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授課題組經(jīng)過長期研究，創(chuàng)造性提出使用同種離子的雙類型量子比特實(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超精細(xì)能級結(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”和用于存儲信息的“存儲比特”。同時，利用激光還實(shí)現(xiàn)了兩種量子比特間微秒量級的相干轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過此方法制備出的通訊比特，可在數(shù)百毫秒的時間內(nèi)生成離子-光子糾纏；通過自旋回波方法可延長存儲比特的存儲壽命，實(shí)現(xiàn)相干時間達(dá)到秒量級的存儲量子比特。通過比較有無離子-光子糾纏生成操作時存儲比特的保真度變化，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。

中國科學(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離子產(chǎn)生離子-光子糾纏和存儲量子信息的方案，這一新方案在硬件上極大簡化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，保證了信息傳播及存儲的效果，向未來量子計算機(jī)和量子網(wǎng)絡(luò)的模塊化邁出了重要一步。