在量子信息技术的快速发展中，构建稳定、高效的量子网络是实现量子互联网的关键一步。然而，由于不同量子系统的工作波长和特性差异，如何实现不同量子网络节点之间的互联互通成为了一个亟待解决的技术难题。近日，一项新的科研成果为这一问题的解决提供了重要突破。
11月2日，荷兰代尔夫特理工大学、瑞士日内瓦大学、德国康斯特大学的科研团队携手合作，在《npj Quantum Information》期刊上发表了题为“Qubit teleportation between a memorycompatible photonic time-bin qubit and a solid-state quantum network node”（内存兼容的光子时间仓量子比特和固态量子网络节点之间的量子比特隐形传态）的研究论文，Mariagrazia Iuliano为论文第一作者，Ronald Hanson教授为论文共同通讯作者。
研究人员提出了一种创新的量子接口，该接口能够将金刚石NV色心量子网络节点与铥和铷量子存储器兼容的795nm光子时间仓量子比特进行连接。这一接口的核心技术在于两级低噪声量子频率转换和波形整形，通过这两项技术，研究人员成功匹配了时间和光谱光子分布，使得不同量子系统之间的光子能够高效、准确地传递信息。
在本项研究中，研究人员使用该接口来演示量子隐形传态，包括从一组无偏的795nm光子量子比特输入态到NV色心自旋量子比特的实时前馈，实现了远高于经典边界的隐形传态保真度。这个概念验证实验显示了互连不同量子网络硬件的可行性。
更重要的是，本研究所展示的量子隐形传态实验，不仅验证了接口技术的可行性和高效性，还揭示了量子纠缠和量子测量在量子信息处理中的巨大潜力。这种超越经典边界的隐形传态保真度，为实现更远距离、更高效率的量子通信提供了可能，也为量子计算、量子加密等前沿领域的研究开辟了新的方向。
这项研究的成功将不同量子系统整合进统一量子网络框架，这不仅极大地拓宽了量子信息的传输范围和兼容性，更为未来量子互联网的构建提供了强有力的技术支撑，是量子通信领域的一项重大技术突破。
背景
随着量子信息技术的飞速发展，构建全球性的量子网络已成为科研人员关注的焦点。
在这一领域，金刚石NV色心量子网络节点和铥、铷量子存储器作为量子信息技术中的两大重要系统，各自具有独特的优势和潜力。金刚石NV色心因其在室温下荧光强度稳定、电子自旋相干时间长以及与生俱来的原子尺寸的特点，是优良的纳米量子传感器。而铥、铷量子存储器则因其长量子相干时间被广泛用于量子信息的存储。然而，由于它们的工作波长和量子态表示方式不同，直接进行信息传输存在诸多困难。金刚石NV色心通常在光学波段工作，而铥、铷量子存储器则在不同的波长范围内操作。这种差异导致了在不同量子系统之间实现互联互通时的挑战。
为了解决这一问题，量子频率转换和波形整形技术逐渐成为有效的手段。通过调整光子的频率和波形，可以使其在不同量子系统之间实现高效、准确的传递。量子频率转换技术可以将原子波长转换至通信波段，大幅拓展节点间的距离。此外，波形整形技术则可以优化量子信号的传输特性，提高量子信息传输的效率和准确性。
这些技术的发展不仅丰富了量子网络的构建手段，也深化了我们对于量子信息处理机制的理解。通过实现不同量子系统间的高效连接，科研人员们能够构建起一个统一的量子网络框架，这对于推动量子网络的发展具有重要意义。量子网络的构建将使得广域量子密钥分发、分布式量子计算和量子传感成为可能，构成未来“量子互联网”的技术基础。
理论模型
研究人员构建了多个理论模型，包括量子频率转换模型、波形整形模型和量子隐形传态模型。
1.量子频率转换模型：量子频率转换模型是连接不同量子系统（如光子时间仓量子比特与固态量子网络节点）的关键技术。该模型描述了一个光子从一个波长（如795nm，对应于铥和铷量子存储器的操作波长）转换到另一个波长（与金刚石NV色心量子网络节点兼容的波长）的过程。转换过程的核心在于保持光子的时间特性不变，即确保转换后的光子与原始光子在时间上保持一致。这通常通过非线性光学介质（如光学晶体）中的受激拉曼散射、四波混频等过程实现。在这些过程中，光子与介质中的原子或分子相互作用，从而改变其频率，同时保持其时间相干性。这种转换不仅实现了波长的匹配，还确保了量子信息的完整传递。
2. 波形整形模型：波形整形模型是量子接口设计中的另一个重要环节。它用于调整光子的波形，以匹配目标系统（如金刚石NV色心量子网络节点）的光谱特性。这包括光子的脉冲宽度、形状和相位等参数的调整。波形整形通常通过可编程的光学滤波器、脉冲整形器或相位调制器实现。这些设备能够精确地控制光子的波形，使其与目标系统的光谱响应相匹配。通过优化波形整形参数，可以最大限度地减少光子在传输过程中的损失，提高量子态的传输效率和保真度。
3. 量子隐形传态模型：量子隐形传态是一种利用量子纠缠的性质来实现远距离量子信息传输的过程。在这个过程中，不需要实际传输物理粒子，而是传输粒子的量子状态。这个过程通常涉及三个步骤：纠缠态的制备、量子态的联合测量（Bell基测量）、以及基于测量结果的量子态重建。这一过程中，量子纠缠是实现远程量子态传输的关键资源，而测量-重建过程则确保了量子态的完整性和保真度。通过优化纠缠制备、测量和重建过程，可以实现高效、准确的量子隐形传态。
实验方法
在实验过程中，研究人员首先制备了金刚石NV色心量子网络节点和795nm光子时间仓量子比特。然后，利用两级低噪声量子频率转换装置，将795nm光子转换为与NV色心兼容的波长。接着，通过波形整形技术，调整光子的波形以匹配NV色心的光谱特性。最后，研究人员利用量子隐形传态模型，演示了从795nm光子量子比特到NV色心自旋量子比特的隐形传态过程。实验过程中，研究人员采用了高精度的量子态制备、测量和反馈控制技术，以确保隐形传态的保真度。
金刚石NV色心量子网络节点的制备：研究人员首先采用化学气相沉积（CVD）技术，通过精确调控反应室内的温度、压力和气体流量，在特制的基底上合成出高质量的金刚石晶体。再通过聚焦离子束（FIB）、激光刻蚀技术、光学泵浦和微波辐射技术，在金刚石晶体中精确形成NV色心，并对NV色心进行初始化和操控，实现对NV色心自旋态的精确操控和读取。
795nm光子时间仓量子比特的制备：采用半导体激光器或量子点光源，产生795nm波长的光子。通过光学滤波器和偏振控制器，对光子的频率、偏振和相位进行精确控制，确保光子的量子态满足实验需求。同时，利用光学腔或光纤延迟线技术，构建光子时间仓；通过调整光子的偏振或相位，研究人员制备出具有不同量子态的光子时间仓量子比特。
量子频率转换与波形整形：研究人员利用两级低噪声量子频率转换装置，将795nm光子转换为与NV色心兼容的波长。这一步骤涉及非线性光学效应和量子纠缠的保持，确保转换后的光子与NV色心之间具有高效的相互作用。通过波形整形技术，研究人员调整光子的波形以匹配NV色心的光谱特性。
量子隐形传态的演示：在精确制备和验证量子比特的基础上，研究人员利用量子隐形传态模型，演示了从795nm光子量子比特到NV色心自旋量子比特的隐形传态过程。通过比较隐形传态前后量子比特的状态，研究人员评估了隐形传态的保真度和效率。同时，利用量子态测量装置和数据分析软件，对实验结果进行了精确的量化分析和验证。
图3：双光子量子干涉。
图4：将时间箱量子比特量子隐形传态到NV色⼼的电子自旋中。
研究成果
实现光子与固态量子比特之间的隐形传态：本项研究成功实现了在光子时间仓量子比特（飞行量子比特）和固态量子网络节点（静止量子比特）之间的量子比特隐形传态。这一成果将光子（飞行速度快、与环境耦合作用小）和原子态（退相干时间长、适合存储）的优势结合起来，对远距离量子通信和大尺度量子计算具有重要意义。
提高量子隐形传态的效率和稳定性：本项研究通过优化量子纠缠态的制备、贝尔态测量以及量子门操作等步骤，提高了量子隐形传态的效率和稳定性。这有助于解决当前量子隐形传态中存在的关键技术难题，如Bell态测量成功率低、光腔损耗大等问题。
实现内存兼容的量子比特存储和读取：本项研究开发了一种内存兼容的量子比特存储和读取技术，使得在量子隐形传态过程中能够高效地存储和读取量子信息。这一技术对于构建可扩展的量子网络和分布式量子计算系统至关重要。
创新性
本项研究的创新性主要体现在三个方面：
首先是实现跨物理系统的量子接口。本项研究首次实现了光子时间仓量子比特和固态量子网络节点之间的量子接口，为不同物理系统之间的量子信息转换和传输提供了新的解决方案。这一创新性成果将推动远距离量子通信和大规模量子计算的发展。
其次是优化了量子隐形传态协议。本项研究通过优化量子隐形传态协议，提高了传输效率和稳定性。例如，通过引入新的纠缠态制备方法、改进贝尔态测量技术或开发新的量子门操作等，实现了更高效、更稳定的量子隐形传态。
最后是内存兼容的量子存储技术。本项研究开发了一种内存兼容的量子存储技术，使得量子信息能够在不同物理系统之间高效、稳定地存储和读取。这一技术不仅有助于实现量子隐形传态，亦能为量子计算和量子通信等领域提供新的存储解决方案。
主要研究人员
Mariagrazia Iuliano，QuTech博士生，研究方向为量子技术和光子学。
Marie-Christine Slater，维也纳大学物理学硕士，奥地利理工学院（AIT）科学家，研究方向为量子光学、量子通信和量子网络。
Ronald Hanson，代尔夫特理工大学教授，QuTech首席研究员。Ronald Hanson是QuTech四位创始教授之一（2014），并于2016-2020年担任其科学主任。他的研究重点为探索和控制量子纠缠态，长期目标是在未来的量子技术（如量子计算和量子互联网）中利用这些纠缠态。他的工作结合了量子光学、固态物理、核磁共振、量子信息理论和纳米制造。
