科学家用“半光子”实现远程量子纠缠，距离实用仅一步之遥

众所周知，量子计算机能够解决最强大的经典超级计算机也无法破解的复杂问题。

就像经典计算机拥有独立却相互连接、协同工作的组件（比如主板上的 CPU、内存等）一样，量子计算机也需要在多个处理器之间传递量子信息。

目前，用于连接超导量子处理器的架构是“点对点”的连接方式，这意味着它们需要在网络节点之间进行一系列传输，而每次传输都会导致错误叠加，导致错误率相对较高。

为了克服这些挑战，麻省理工学院的研究团队开发了一种新的互连装置，该设备支持可扩展的“多对多”通信模式能让网络中的所有超导量子处理器直接相互通信。

研究人员搭建了一个包含两个量子处理器的网络，并利用他们研发的互连装置，在用户定义的方向上发送微波光子。光子作为携带量子信息的光粒子，在这个过程中发挥着重要作用。

该设备包含一条超导线（波导），能在处理器之间传输光子，而且研究人员可根据需求对其进行布线，延伸到更长距离。通过将任意数量的模块耦合到波导上，研究人员就能够在可扩展的处理器网络间高效传输信息。

他们借助这一互连设备成功演示了远程纠缠现象（指未通过物理连接的量子处理器之间存在的关联），它是构建由众多量子处理器组成的强大分布式网络的关键环节。

“在未来，量子计算机可能既需要本地互连，也需要非本地互连。在超导量子比特阵列中，本地互连很常见，而我们的设备则为实现更多非本地连接提供了可能，能够以不同频率、时间，在两个传播方向上传输光子，这大大提升了网络的灵活性和吞吐量。”这篇论文的第一作者、麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生 Aziza Almanakly 表示。

目前，这篇研究论文已经发表在Nature Physics上，论文合著者包括麻省理工学院的 William D. Oliver 教授、研究生 Beatriz Yankelevich，以及来自林肯实验室的其他人员。此外，这项研究工作得到了美国陆军研究办公室、AWS 量子计算中心和美国空军科学研究办公室的部分资助。

可扩展架构

此前，研究人员开发出一种量子计算模块，借助该模块能够沿着波导向任意方向发送携带信息的微波光子。

在新的研究工作中他们进一步拓展这一架构，将两个模块连接到一个波导上，实现光子沿所需方向发射，并在另一端被吸收。

每个模块由四个量子比特构成，这些量子比特充当携带光子的波导与更大的量子处理器之间的接口。耦合到波导的量子比特负责发射和吸收光子，随后光子会传输到附近的存储量子比特。

研究人员通过一系列微波脉冲为量子比特注入能量，量子比特吸收能量后会发射光子。通过精确控制这些脉冲的相位，能够产生量子干涉效应，进而实现沿波导向任一方向发射光子。而通过时间上反转这些脉冲，另一个模块中的量子比特就能吸收光子，无论两个模块距离有多远。

“发射和接收光子让我们可以在非本地量子处理器之间建立‘量子互连’，而量子互连是实现远程纠缠的关键。”Oliver 解释道。

Yankelevich 补充说：“生成远程纠缠是从小规模模块构建大规模量子处理器的重要一步。即便光子消失，两个相距遥远的‘非本地’量子比特之间依然会存在相关性。借助远程纠缠，我们就能利用这些相关性，在两个量子比特之间执行并行操作，哪怕它们不再连接且相隔甚远。”

形成纠缠态

然而，仅仅在两个模块之间传输光子并不足以产生远程纠缠，研究人员还需要对量子比特和光子进行预先准备，确保在协议结束时，两个模块能“共享”光子。

他们通过在光子发射脉冲持续时间的中途停止发射脉冲成功实现了这一目标。用量子力学术语来说，此时光子处于“既保留又发射”的状态，用经典物理的比喻来说，可认为一半的光子被保留，另一半被发射，即“半光子”。

一旦接收模块吸收了这个“半光子”，两个模块便形成了纠缠态。不过，在光子传播过程中，波导中的接头、引线键合和连接等因素会使光子产生畸变，降低接收模块的吸收效率。

为了生成保真度足够高的远程纠缠，研究人员需要尽可能提高光子在另一端被吸收的频率。“这项工作的难点在于如何恰当地塑造光子形态，从而最大限度提高吸收效率。”Almanakly 表示。

为此，他们运用一种强化学习算法对光子进行“预畸变”处理。该算法通过优化协议脉冲来塑造光子形态，进而实现最高的吸收效率。

实验显示，当他们采用这种优化后的协议时，光子吸收效率超过了 60%。这一吸收效率已经足够高，可以证明协议结束时两个模块的状态是纠缠态，而这是此次实验中的一个重要里程碑。

“我们可以利用这种架构创建具有多对多连接的网络。这意味着同一总线上可以有多个模块，并且我们能在任意选定的模块对之间实现远程纠缠。”Yankelevich 表示。

展望未来，研究人员计划通过优化光子传播路径来进一步提高吸收效率，比如采用 3D 集成模块，取代使用超导线连接单个微波封装的方式。同时，他们还打算加快协议执行速度，减少错误累积的可能性。

“从理论上讲，这种远程纠缠生成协议也可以推广到其他类型的量子计算机，以及更大规模的量子互联网系统中。”Almanakly 表示。

https://news.mit.edu/2025/device-enables-direct-communication-among-multiple-quantum-processors-0321