克雷西 發自 凹非寺
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量子通訊技術又迎來了新進展！
牛津大學研究人員在Nature上發表的最新研究，在兩米的距離上實現了確定性的量子門傳送，保真度達86%。
研究人員表示，這項研究給各種物理平臺的大規模量子計算提供了可行的途徑，併為量子網際網路打下了基礎。
分散式量子計算（DQC）可以在不損害效能或量子位元連線性，是執行大型量子電路的理想方式，光子網路適合作為其中的互聯層。
藉助光子網路，透過量子門傳送（QGT）在網路中的物質量子位元之間共享遠端糾纏，可以實現全互連的邏輯連線，但要求傳送過程具備確定性和可重複性，之前的技術無法保證。
牛津團隊的這項研究，則在量子門傳送的確定性問題上實現了突破——在作者設計的傳輸鏈路上，實現了高保真度確定性傳送，並以71%的成功率運行了Grover搜尋演算法。
作者介紹，這是首次實現由多個非局域兩量子位元門組成的分散式量子演算法。
有網友評價稱，這是量子計算的一個重大里程碑——
雖然不同於科幻場景中的“傳送”（指宏觀物體的傳送），但跨處理器傳輸量子資訊可以讓我們更接近（實現）實用的量子網路。
遠端糾纏的建立
這項研究的核心思路是利用量子糾纏作為資源，透過量子門傳送，在兩個模組中的量子位元電路之間執行非局域量子門操作。
首先，兩個相距2米的捕獲離子模組（量子通訊領域習慣性分別稱之為“Alice”和“Bob”）各自儲存了一個88Sr+離子和一個43Ca+離子，分別充當不同角色：
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88Sr+離子用作網路量子位元，利用其與422nm單光子的高效耦合作為量子介面；
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43Ca+離子則利用其磁不敏感的基態超精細能級編碼電路量子位元，同時也充當輔助量子位元參與局域操作。
兩個模組先透過交換光子在Sr+離子之間建立遠端糾纏，然後利用這種糾纏作為量子通道，結合局域操作和經典通訊，將邏輯閘操作從一個模組“傳送”到另一個模組，從而實現了跨越物理距離的量子計算。
其中的第一步，就是要在兩個Sr+離子之間建立遠端糾纏。
具體來說，對每個88Sr+離子，透過波長為422nm的雷射激發，使其以一定機率從基態躍遷到5P1/2激發態，再自發輻射回到5S1/2基態的兩個Zeeman亞能級，同時釋放出一個σ±極化的單光子。
這個過程會以很大機率產生最大離子-光子糾纏態。
收集到的422nm單光子會被引入單模光纖，並在一個遠端的Bell態分析器中混合。
當兩個光子同時到達分束器的兩個輸入埠時，它們會發生Hong-Ou-Mandel干涉並“搶佔”同一個輸出埠。
如果兩個探測器恰好在符合時間視窗（約為光子相干時間）內分別探測到一個光子，就投影兩個Sr+離子到一個最大糾纏Bell態 。這個過程稱為糾纏交換。
如果Bell態分析器給出符合的探測結果（每個探測器探測到一個光子），就宣告兩個Sr+離子之間的遠端糾纏建立成功。
一旦探測成功，雙方就立即開展後續的量子操控；如果探測失敗，糾就重複步驟上述步驟，直到成功為止。
建立Sr+離子之間的Zeeman態糾纏後，用波長674nm的雷射將兩個Sr+離子的基態快速轉移到耦合強度更大的光學躍遷上，避免後續局域操作中糾纏的退相干。
實驗中每次嘗試的時間為1168ns，平均嘗試7084次（約103ms）就可以成功建立一次糾纏，遠端糾纏態的保真度可達96.89%。
模組內的局域操作
遠端糾纏建立後，就要開始在每個模組內進行局域操作。
為了讓Ca+量子位元能夠與Sr+離子實現糾纏，需要先將儲存在Ca+電路量子位元上的量子態臨時對映到Ca+輔助量子位元上。
這一操作透過兩個Raman雷射脈衝實現的，波長為397nm和866nm，持續時間約幾十微秒。
之後在Sr+和Ca+輔助量子位元之間執行局域CZ門，這一步在Sr+與Ca+輔助量子位元之間實現最大糾纏。
採用的方法是Mølmer–Sørensen糾纏門，即兩離子同時受到一對藍/紅失諧的Raman雷射作用，雷射頻差接近離子鏈合適的集體振動模式頻率。
實驗中採用波長為402nm的Raman雷射對，與Sr+的5S1/2-4P2/3躍遷(408nm)和Ca+的4S1/2-4P1/2躍遷(397nm)同時耦合，從而同時對兩種離子施加自旋依賴力，獲得理想的相互作用。
同時透過複合脈衝方案抑制離子加熱，獲得99%以上的局域糾纏保真度。
CZ門操作完成後，再用兩個Raman脈衝將Ca+輔助量子位元的量子態映射回電路量子位元，恢復最初的編碼方式。
整個過程相當於在Sr+光學量子位元和Ca+電路量子位元之間實現了受控相位門。
離子測量和經典傳送
接下來就到了傳送過程的關鍵步驟——兩個量子網路節點需要對各自的Sr+離子進行中途測量並透過經典通道交換測量結果，以完成邏輯閘操作從一個節點到另一個節點的傳送。
每個節點用波長422nm的雷射將Sr+離子的|S1/2⟩和|D5/2⟩態分別旋轉到測量基底，然後利用氟光探測技術測量Sr+離子的狀態，測量時間設為500μs。
處於|S1/2⟩態的Sr+離子會與422nm雷射發生耦合，產生明顯的熒光訊號;而處於|D5/2⟩態的Sr+離子不與422nm雷射耦合，因此無熒光。
透過判斷是否探測到熒光，可以識別Sr+的測量結果，記作mA和mB，取值為0或1。
一旦獲得Sr+中途測量的結果，兩個節點需要立即將本地測量結果（mA或mB）透過經典通道傳送給對方，以協調後續的單量子門操作。
這裡“經典通道”指的是一條低延遲、高保真的資訊傳輸通道，與量子通道區分開來。
實驗中兩個節點之間建立了一條TTL訊號線，直接連線兩個節點的FPGA控制系統，傳輸延遲僅為25ns。
TTL訊號的高低電平就表示測量結果mA和mB的取值0或1，透過預設的通訊協議，雙方可以迅速交換和解讀這一資訊。
同時，為了保證雙方時鐘同步，實驗還引入了一臺原子鐘作為共同的參考。
獲得對方的測量結果後，每個節點對本地的Ca+電路量子位元執行一個條件單量子門操作，具體取決於mA和mB的組合。
當mA ⊕ mB = 0時，執行Identity門（什麼也不做）；當mA ⊕ mB = 1時，執行Z門（相當於一個π相位）。（⊕表示異或運算）
這一操作覆蓋了中途測量對Ca+量子態的影響，最終實現了邏輯閘從一個Ca+傳送到另一個Ca+。
成功執行Grover搜尋演算法
透過對不同輸入態進行量子門操作和量子態層析，作者測試了這套量子門傳送方法的保真，結果如下：
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傳送CNOT門的保真度為86.2%，略低於理論極限；
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傳送iSWAP門的保真度為70%，需要2次量子門傳送；
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傳送SWAP門的保真度為64%，需要3次量子門傳送。
這一結果證明了該方案能夠以較高保真度實現任意雙量子門操作在兩個遠端量子位元之間的傳送。
遠端糾纏的保真度達到96.89%，接近理論極限，是高質量量子門傳送的基礎。
量子儲存過程的保真度也高達98%以上，證明Ca+離子能很好地承載量子資訊。
在此基礎之上，作者還構建了基於量子門傳送的分散式量子線路，成功運行了Grover搜尋演算法。
Grover演算法是一種量子搜尋演算法，可以在未排序的資料庫中以平方級加速找到特定目標。
在這個實驗中，他們使用兩個相距兩米的量子模組來實現一個簡單的2量子位元版本的Grover演算法。
演算法的基本流程是首先將量子比特製備成等機率的疊加態，然後透過Oracle電路標記目標狀態，接著使用Diffusion電路放大目標狀態的振幅。
在這個分散式系統中，Alice和Bob兩個模組分別負責Oracle和Diffusion操作。
對於不同的目標狀態，實驗取得了71%的成功率，初步證明了分散式量子計算系統在執行量子演算法方面的可行性。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x— 完 —
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