贝尔态分析仪推动量子互联网取得巨大发展

ORNL 的 Joseph Lukens 在光学实验室做实验。图片来源：Jason Richards/ORNL，美国能源部

       科学家们对量子力学的精通程度越来越高，这预示着一个创新的新时代即将来临。从比当今领先系统更强大的计算机、到能够检测难以捕获的暗物质的传感器、以及几乎无法破解的量子互联网，利用自然界最小尺度力量的技术在科学领域显示出极大的潜力。

       能源部橡树岭国家实验室、美国Freedom Photonics公司和普渡大学的研究人员设计并演示世界上首台用于频率窗口编码的贝尔态分析仪，进而推动了全量子互联网的进一步发展。他们的研究成果发表在光学顶级期刊《Optica》上。

        他们首先将信息编码为量子态，然后通过量子网络将其发送出去。这些信息包含在量子比特或者经典计算机中量子版本的用来存储信息的 “位”，它们开始纠缠在一起，这意味着它们处于一种无法相互独立描述的状态。

        当两个量子位被称为“贝尔态”时，两个量子位之间的纠缠被认为是最大的。测量这些Bell状态对于执行量子通信和在量子网络中分发纠缠所需的许多协议至关重要。虽然这些测量已经被科学家研究了很多年，但是该团队的方法展示了第一个特意为频率窗口编码开发的贝尔态分析仪，这是一种同时利用两个不同频率的单光子进行量子通信的方法。

       ORNL 的科学家、Wigner研究员和团队成员约Joseph Lukens说：“测量这些贝尔态是量子通信的基础” ，“要实现传送和纠缠交换等操作，你需要一个贝尔态分析仪。”

       传送是将信息从间隔相当长物理距离的一方发送到另一方的行为，而纠缠交换指的是将先前未纠缠的量子比特对纠缠在一起的能力。Lukens说：“想象一下，你有两台通过光纤网络连接的量子计算机，因为空间上的分离，它们无法单独互动”，“但是，假设它们每个都可以在局部与单个光子纠缠在一起，通过将这两个光子发送到光纤上，然后在它们相遇的地方对它们进行贝尔态测量，尽管它们从未相互作用，但是最终结果是两台间隔非常遥远的量子计算机现在纠缠在一起。这种所谓的纠缠交换是构建复杂量子网络非常关键的能力。

       虽然总共有四种贝尔态，但分析仪在任何给定时间只能分发两种。但这是很好的，因为测量其他两个状态增加了非常大的复杂性，到目前为止这是没有必要的。Lukens说：“该分析仪经过仿真设计，保真度达到 98%，剩下的2%的错误率是由测试光子的随机制备所产生的不可避免的噪声造成的结果，而不是分析仪本身产生的” ，这种令人难以置信的准确性使频率窗口所需的基本通信协议成为可能，这是Lukens之前研究的重点。

       2020 年的秋天，普渡大学的Lukens及其同事首次展示了如何根据需要完全控制单个频率窗口的量子比特通过量子网络传输信息。利用在 ORNL 开发的量子频率处理器技术，研究人员展示了广泛适用的量子门，或执行量子通信协议所需的逻辑操作。在这些协议中，通常是为了响应对网络中其他地方的粒子进行的测量，研究人员需要能够以用户自定义的方式操纵光子。

       经典计算机和通信技术中使用的传统操作是分别对数字 0 和 1 进行操作，例如 AND/OR，而量子门则在 0 和 1 的叠加上同时操作，从而在量子信息通过时对其进行保护，这是实现真正的量子网络所需要的一种现象。

       虽然频率窗口编码和纠缠出现在许多系统中，并且与光纤自然地兼容，但证据表明在传统上使用这些现象来执行数据操作和处理操作是困难的。随着贝尔态分析仪的设计完成，Lukens及其同事希望将其扩展到一个完整的纠缠交换实验，这将是频率窗口编码领域的第一个同类实验。这项工作计划作为最近由美国能源部授予的ORNL 的量子加速互联网测试平台项目的一部分。

       消息来源：https://phys.org/news/2022-03-giant-quantum-internet-bell-state.html