Nature:离量子互联网又近一步!牛津大学证实分布式量子计算可行性

• 克雷西 发自 凹非寺
  量子位 | 公众号 QbitAI

量子通信技术又迎来了新进展！

牛津大学研究人员在Nature上发表的最新研究，在两米的距离上实现了确定性的量子门传送，保真度达86%。

研究人员表示，这项研究给各种物理平台的大规模量子计算提供了可行的途径，并为量子互联网打下了基础。

分布式量子计算（DQC）可以在不损害性能或量子比特连接性，是执行大型量子电路的理想方式，光子网络适合作为其中的互联层。

借助光子网络，通过量子门传送（QGT）在网络中的物质量子比特之间共享远程纠缠，可以实现全互连的逻辑连接，但要求传送过程具备确定性和可重复性，之前的技术无法保证。

牛津团队的这项研究，则在量子门传送的确定性问题上实现了突破——在作者设计的传输链路上，实现了高保真度确定性传送，并以71%的成功率运行了Grover搜索算法

作者介绍，这是首次实现由多个非局域两量子比特门组成的分布式量子算法。

有网友评价称，这是量子计算的一个重大里程碑——

虽然不同于科幻场景中的“传送”（指宏观物体的传送），但跨处理器传输量子信息可以让我们更接近（实现）实用的量子网络。

远程纠缠的建立

这项研究的核心思路是利用量子纠缠作为资源，通过量子门传送，在两个模块中的量子比特电路之间执行非局域量子门操作

首先，两个相距2米的捕获离子模块（量子通信领域习惯性分别称之为“Alice”和“Bob”）各自储存了一个88Sr+离子和一个43Ca+离子，分别充当不同角色：

• 88Sr+离子用作网络量子比特，利用其与422nm单光子的高效耦合作为量子接口；
• 43Ca+离子则利用其磁不敏感的基态超精细能级编码电路量子比特，同时也充当辅助量子比特参与局域操作。

两个模块先通过交换光子在Sr+离子之间建立远程纠缠，然后利用这种纠缠作为量子信道，结合局域操作和经典通信，将逻辑门操作从一个模块“传送”到另一个模块，从而实现了跨越物理距离的量子计算。

其中的第一步，就是要在两个Sr+离子之间建立远程纠缠。

具体来说，对每个88Sr+离子，通过波长为422nm的激光激发，使其以一定概率从基态跃迁到5P1/2激发态，再自发辐射回到5S1/2基态的两个Zeeman亚能级，同时释放出一个σ±极化的单光子。

这个过程会以很大概率产生最大离子-光子纠缠态

收集到的422nm单光子会被引入单模光纤，并在一个远程的Bell态分析器中混合。

当两个光子同时到达分束器的两个输入端口时，它们会发生Hong-Ou-Mandel干涉并“抢占”同一个输出端口。

如果两个探测器恰好在符合时间窗口（约为光子相干时间）内分别探测到一个光子，就投影两个Sr+离子到一个最大纠缠Bell态 。这个过程称为纠缠交换

如果Bell态分析器给出符合的探测结果（每个探测器探测到一个光子），就宣告两个Sr+离子之间的远程纠缠建立成功。

一旦探测成功，双方就立即开展后续的量子操控；如果探测失败，就重复上述步骤，直到成功为止。

建立Sr+离子之间的Zeeman态纠缠后，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，避免后续局域操作中纠缠的退相干。

实验中每次尝试的时间为1168ns，平均尝试7084次（约103ms）就可以成功建立一次纠缠，远程纠缠态的保真度可达96.89%

模块内的局域操作

远程纠缠建立后，就要开始在每个模块内进行局域操作

为了让Ca+量子比特能够与Sr+离子实现纠缠，需要先将存储在Ca+电路量子比特上的量子态临时映射到Ca+辅助量子比特上

这一操作通过两个Raman激光脉冲实现的，波长为397nm和866nm，持续时间约几十微秒。

之后在Sr+和Ca+辅助量子比特之间执行局域CZ门，这一步在Sr+与Ca+辅助量子比特之间实现最大纠缠。

采用的方法是Mølmer–Sørensen纠缠门，即两离子同时受到一对蓝/红失谐的Raman激光作用，激光频差接近离子链合适的集体振动模式频率。

实验中采用波长为402nm的Raman激光对，与Sr+的5S1/2-4P2/3跃迁(408nm)和Ca+的4S1/2-4P1/2跃迁(397nm)同时耦合，从而同时对两种离子施加自旋依赖力，获得理想的相互作用。

同时通过复合脉冲方案抑制离子加热，获得99%以上的局域纠缠保真度。

CZ门操作完成后，再用两个Raman脉冲将Ca+辅助量子比特的量子态映射回电路量子比特，恢复最初的编码方式。

整个过程相当于在Sr+光学量子比特和Ca+电路量子比特之间实现了受控相位门

离子测量和经典传送

接下来就到了传送过程的关键步骤——两个量子网络节点需要对各自的Sr+离子进行中途测量并通过经典信道交换测量结果，以完成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|S1/2⟩和|D5/2⟩态分别旋转到测量基底，然后利用氟光探测技术测量Sr+离子的状态，测量时间设为500μs。

处于|S1/2⟩态的Sr+离子会与422nm激光发生耦合，产生明显的荧光信号;而处于|D5/2⟩态的Sr+离子不与422nm激光耦合，因此无荧光。

通过判断是否探测到荧光，可以识别Sr+的测量结果，记作mA和mB，取值为0或1。

一旦获得Sr+中途测量的结果，两个节点需要立即将本地测量结果（mA或mB）通过经典信道发送给对方，以协调后续的单量子门操作。

这里“经典信道”指的是一条低延迟、高保真的信息传输通道，与量子信道区分开来。

实验中两个节点之间建立了一条TTL信号线，直接连接两个节点的FPGA控制系统，传输延迟仅为25ns。

TTL信号的高低电平就表示测量结果mA和mB的取值0或1，通过预设的通信协议，双方可以迅速交换和解读这一信息。

同时，为了保证双方时钟同步，实验还引入了一台原子钟作为共同的参考。

获得对方的测量结果后，每个节点对本地的Ca+电路量子比特执行一个条件单量子门操作，具体取决于mA和mB的组合。

当mA ⊕ mB = 0时，执行Identity门（什么也不做）；当mA ⊕ mB = 1时，执行Z门（相当于一个π相位）。（⊕表示异或运算）

这一操作覆盖了中途测量对Ca+量子态的影响，最终实现了逻辑门从一个Ca+传送到另一个Ca+。

成功运行Grover搜索算法

通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方法的保真，结果如下：

• 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%，需要2次量子门传送；
• 传送SWAP门的保真度为64%，需要3次量子门传送。

这一结果证明了该方案能够以较高保真度实现任意双量子门操作在两个远程量子比特之间的传送

远程纠缠的保真度达到96.89%，接近理论极限，是高质量量子门传送的基础。

量子存储过程的保真度也高达98%以上，证明Ca+离子能很好地承载量子信息。

在此基础之上，作者还构建了基于量子门传送的分布式量子线路，成功运行了Grover搜索算法

Grover算法是一种量子搜索算法，可以在未排序的数据库中以平方级加速找到特定目标。

在这个实验中，他们使用两个相距两米的量子模块来实现一个简单的2量子比特版本的Grover算法。

算法的基本流程是首先将量子比特制备成等概率的叠加态，然后通过Oracle电路标记目标状态，接着使用Diffusion电路放大目标状态的振幅。

在这个分布式系统中，Alice和Bob两个模块分别负责Oracle和Diffusion操作。

对于不同的目标状态，实验取得了71%的成功率，初步证明了分布式量子计算系统在执行量子算法方面的可行性

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x