量子隐形传态扩展到相邻节点之外

荷兰的物理学家首次证明，量子信息可以在彼此不直接连接的网络节点之间可靠地远程传输。研究人员于2021在QuTech（代尔夫特理工大学和TNO的合作）创建了世界上第一个三节点量子网络，据研究人员称，这项最新工作标志着朝着可扩展量子互联网迈出了进一步的一步。相关工作发表在《Nature》上。

图1，荷兰QuTech的研究人员正在进行量子隐形传态实验。（提供：QuTech）

量子网络提供了一种在不同位置或节点之间传输信息的超级安全方式。虽然这些节点可以使用普通光纤连接，但光纤中的光子损耗限制了连接的质量或保真度：当光子丢失时，其量子信息也会丢失。使用量子纠缠将信息直接从一个节点传送到另一个节点，消除了这种丢失机制，使其成为未来量子互联网的理想选择。

2021年，在QuTech上展示的三节点网络使用了由氮空位（NV）中心制成的量子比特，这是金刚石碳原子晶格中的缺陷。每个节点都包含一个通信量子位，一个节点还包含一个存储量子位（由相邻的碳原子制成），可以存储节点的量子信息。因此，缠绕三个节点的构造块已经存在，但该系统在持续传送状态方面远不可靠。

量子隐形传态

将量子信息从发送方传送到接收方的第一步是在它们各自的量子比特之间建立纠缠。对发送方的量子比特执行所谓的贝尔态测量（BSM）会导致其量子态进行远程传输，这意味着它会从发送方的节点消失，并以加密形式出现在接收方的节点上。然后，可以使用通过经典通道（如光纤）发送给接收器的BSM结果对量子态进行解密。

以前，这只在两个相邻的网络点上进行，传统上称为Alice和Bob。添加第三点Charlie绝非易事，因为Alice和Charlie之间的纠缠需要通过中间节点Bob来创建。它还需要高保真度才能使隐形传态发挥作用。

优化步骤

为了达到这种高保真度，QuTech研究人员进行了几次升级。在他们之前的系统中，指示纠缠的“预兆”信号来自于检测用于纠缠的光子的相同光电探测器。然而，由于各种不希望的过程产生第二个光子，这可能导致错误的预告信号。为了避免这种情况，研究小组设置了一条额外的检测路径，通过捕捉第二个光子来标记错误的预告信号。

图2. 近距离量子比特：钻石样品中的氮空位中心被用作隐形传态实验中的量子比特。（提供：QuTech）

研究人员解决的另一个问题是光谱扩散，这会导致量子比特出现相位不一致，降低传输保真度。这一过程对稍后发射的光子有更大的影响，因此团队缩短了检测窗口。

最后一组改进涉及用于存储量子信息的内存。首先，研究小组保护记忆量子位不与相邻的核自旋相互作用。为了做到这一点，他们将磁场脉冲集成到纠缠序列中，以设定的时间间隔翻转记忆量子位，从而平均这些不必要的相互作用的影响。他们还提高了读取记忆量子位的能力。因为存储量子位的其中一个状态具有更有利的保真度，所以它的读数是不对称的。通过重复读出过程，团队过滤掉了“错误”的读出，最终提高了保真度。

向我发射光束

在这些改进之后，研究人员能够在Charlie和Alice的非相邻节点之间传送量子信息。首先，他们通过Bob的量子位元使Alice和Charlie的量子位元纠缠。然后Charlie将其部分纠缠态存储在其记忆量子位元中，并准备将量子态进行远程传输。在Charlie应用BSM将状态传送给Alice。然后，研究人员将BSM结果发送给Alice，并以71%的保真度检索到该状态，高于?的经典界限, 证明了隐形传态是成功的。

领导这项研究的QuTech研究员罗纳德·汉森（RonaldHanson）表示，该团队的下一步将是扩大记忆量子位的数量，使其能够运行更复杂的协议。另一个目标是让这项技术在实验室环境之外工作，例如通过在真实网络中使用已经部署的光纤。他告诉《物理世界》（Physics World），“我们还与计算机科学家合作开发量子网络控制堆栈，这是一个类似的控制层堆栈，目前运行着我们今天都在使用的互联网。”。

未参与这项研究的西班牙巴塞罗那 ICFO 研究员 Hugues de Riedmatten 表示，非相邻节点上的量子隐形传态是一个重要的里程碑。在他看来，该团队最大的成就是将几个具有挑战性的实验结合在一起，所有这些实验都需要进行充分优化，以达到量子隐形传态所需的保真度。里德马滕（de Riedmatten）指出，目前的装置只能使用发射光子的一小部分，这限制了它的远程纠缠率。然而，他补充道，这可以通过将NV中心嵌入光学腔中以收集更多光子或使用其他发射器来解决。

日本庆应义塾大学（Keio University）的罗德尼·范·米特（RodneyvanMeter）也对这项工作表示赞赏，认为这是连接两部分的简单渠道与实际网络之间的根本区别。他指出，困难之一是在每个节点上扩展到大量的量子位，但世界各地的其他团队一直在解决氮空位中心量子位的问题。他说，由于代尔夫特团队已经计划增加其网络中的节点数量，他“期待着看到他们接下来会生产什么”。