量子网络中的确定性多量子位纠缠

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员使用一个一米长的超导同轴电缆连接的超导量子节点放大了纠缠态，实现了高保真度多量子位纠缠。这项新的研究可以为未来的量子通信网络和大规模量子计算机奠定基础，相关研究发表在《Nature》上。

对于大型量子通信和计算网络，高保真度分布式多量子位纠缠的产生是一项艰巨的任务。虽然最新研究已经用光子和声子实现了两个遥远量子位的确定性纠缠。但是，由于状态转移保真度有限，多量子位纠缠的产生和传输还有待确定。

为解决这个问题，研究人员首先通过使用同一根电缆放大了纠缠态，首先使用电缆使两个节点中的每个节点上的两个量子位纠缠，然后将这些量子位与节点中的其他量子位进一步纠缠。

图：美国陆军资助的研究通过连接一个量子网络节点和另一个节点的通信电缆发送纠缠的量子比特态。这项研究有助于为未来的量子通信网络和大规模量子计算机打下新的基础。

量子位是量子信息的基本单位。通过利用它们的量子特性（例如叠加）以及它们相互纠缠的能力，科学家和工程师正在创造下一代量子计算机，它将能够解决以前无法解决的问题。该研究小组使用超导量子位，可以电操纵的微型低温电路。

纠缠是可以在量子实体（例如量子位）之间创建的关联。当两个量子位纠缠在一起，在其中一个量子位上进行测量时，它将影响在另一个量子位上进行测量的结果，即使第二个量子位在物理上相距很远。

为了通过通信电缆（一米长的超导电缆）发送纠缠态，研究人员创建了一个实验装置，在两个节点的每一个中具有三个超导量子位。他们将每个节点中的一个量子比特连接到电缆，然后以微波光子的形式通过电缆以最小的信息损失发送量子态。量子态的脆弱性质使这一过程颇具挑战性。

研究所开发的量子网络由两个节点构成，其中每个节点都是一个超导处理器，包含三个电容耦合的超导量子位，并由可调耦合器相互连接。两个节点由1米长的铌钛（NbTi）超导同轴电缆连接，并且时变耦合强度由每个节点中的可调耦合器控制。实验结果表明通过将电缆直接连接到每个节点中的一个量子位，可以实现0.911±0.008的处理保真度在节点之间传递量子态；一个节点中三比特的Greenberger–Horne–Zeilinger（GHZ）状态可以确定地将状态转移到另一节点，转移状态保真度为0.656±0.014；两节点全局分布六量子位GHZ状态传输的状态保真度为0.722±0.021。 GHZ状态保真度明显高于真正多量子位纠缠的阈值（1/2 ）。

该系统的整个传输过程（从节点到电缆到节点）仅花费几十纳秒（十亿分之一秒的时间为十亿分之一秒）。 这使他们能够以很少的信息损失发送纠缠的量子态。该系统还允许他们放大量子位的纠缠，在每个节点中使用一个量子位，并通过实质上通过电缆发送一个半光子将它们纠缠在一起。 然后他们将这种纠缠扩展到每个节点中的其他量子位。当它们完成时，两个节点中的所有六个量子位都以单个全局纠缠状态纠缠在一起。

该体系结构可用于将多个超导量子处理器相干地链接在一起，从而为构建大规模量子计算机提供了一种模块化的方法。