科研进展 | 代尔夫特理工大学等：固态量子比特的城域尺度预报纠缠

文摘 2024-10-31 18:55 北京

未来量子互联网技术面临着一个关键挑战，那就是在城域内连接量子处理器。

10月30日，代尔夫特理工大学、Element Six Innovation、弗劳恩霍夫激光技术研究所、TOPTICA Photonics AG组成的研究团队在《Science Advances》期刊上发表题为“Metropolitan-scale heralded entanglement of solid-state qubits”（固态量子比特的城域尺度预报纠缠）的研究论文，Arian J. Stolk、Kian L. van der Enden为论文共同第一作者，Ronald Hanson教授为论文通讯作者。

在本文中，研究团队报告了两个相距10公里的独立运行量子网络节点之间的预报纠缠。承载金刚石自旋量子比特的两个节点通过已部署的25公里光纤与中点站连接。通过将量子比特原生光子的量子频率转换为电信L波段，并将链路嵌入到可扩展的稳相架构中，从而最大限度地减少了光纤光子损耗的影响，从而能够使用抗损耗的单击纠缠协议。通过利用网络链路的完全预报功能，并结合长寿量子比特上的实时反馈逻辑，最终，不论预报检测模式为何，研究团队都成功在节点上演示了预定义纠缠态的交付。为了应对关键的扩展挑战并与不同的量子比特系统兼容，该架构为探索城域尺度量子网络建立了一个通用平台。

背景

未来，量子网络被用于在遥远的量子处理器之间分布纠缠，其有望在通信、计算、传感和基础科学中实现应用。过去的几十年里，在不同量子比特平台上进行的一系列实验证明了量子网络在短距离上具备基本能力，包括光子介导的纠缠生成。这些短距量子比特网络可用于测试改进的硬件、开发量子网络控制堆栈以及在实验室环境中探索量子网络协议。

下一个主要挑战是开发能够在城域尺度上生成、存储和处理量子信息的量子网络系统。此类系统面临几个以前未探索的要求。首先，较大的物理距离、随之而来的海量通信时间以及对可扩展性的需求要求网络节点完全独立运行。其次，由于连接节点的光纤将延伸数十公里，光子损耗成为必须缓解的关键参数。第三，由于高级网络应用程序需要共享纠缠态的预报交付，以备将来使用，因此量子比特系统必须能够长时间存储量子信息，并且网络系统必须能够在成功生成纠缠后对量子比特应用实时反馈。

最近的量子比特实验表明，后两个标准取得了可喜的进展，包括与高效量子频率转换器（QFC）的集成，在量子比特系统上证明可以扩展到多量子比特寄存器的长相干时间，以及通过数十公里的光纤在附近的量子比特之间产生纠缠，同时，基于系综的量子存储器实验在前两个标准方面均取得了显著进展。

理论方法

研究团队利用量子频率转换技术（QFC），将金刚石自旋量子比特的本地光子从637nm转换到电信L波段的1588nm，以减少光纤中的光子损耗。这种转换不仅补偿了由于固态量子比特的固有发射频率差异引起的损耗，还为光子提供了调谐机制，以实现不同量子比特系统间的兼容性。

为了应对光子在长距传输中的相位漂移问题，研究团队构建了一个可扩展的稳相架构。这个架构通过在中点站实现精确的偏振和时间控制，以及主动稳定相对光相位，使得即使在光子传输过程中发生相位变化，也能保持纠缠态的稳定性。这种架构的设计允许使用抗损耗的单次点击纠缠协议，从而提高了纠缠生成的效率。

该网络架构还集成了实时反馈逻辑，这使得在成功产生纠缠后，可以对长寿量子比特进行实时调整。这种反馈机制允许在纠缠态生成后，根据检测到的模式动态调整量子比特态，以实现更高的纠缠态保真度。

实验方案

实验涉及两个独立的量子网络节点，它们通过25公里的光纤与中点站连接，形成了一个城域尺度的量子链路。

每个节点都包含一个化学气相沉积生长的金刚石芯片，上面有一个氮空位（NV）色心电子自旋量子比特。这个NV色心637nm的光学跃迁被用来生成量子比特-光子纠缠。每个节点都配备了一个独立的量子频率转换单元，将NV中心的光子转换到电信L波段，以最小化光纤中的光子损失。

在实验中，首先将量子比特制备在处于非平衡的叠加态，然后通过光学π脉冲和随后的自发发射来实现量子比特-光子纠缠。在中点站，通过光子数态的重叠和单光子检测来实现纠缠的先兆，从而实现量子比特态的纠缠。

为了保持光子在长距传输中的相位和偏振稳定性，研究团队在中点站使用了时间复用的稳定激光，与用于纠缠生成的单光子信号共用同一光纤。这种设计能够在保持高反馈带宽的同时，进行连续的相位锁定和偏振稳定。

在成功产生纠缠后，研究团队利用实时反馈逻辑对量子比特进行调整。这种反馈机制能够在纠缠态生成后，根据检测到的模式，动态调整量子比特态，以实现更高的纠缠态保真度。

图1：城域尺度量子链路。

图2：量子节点组件和城域尺度稳定性能。

图3：在已部署的链路上进行后选择纠缠。

图4：在已部署的链路上进行完全预报纠缠。

主要研究人员

Ronald Hanson，代尔夫特理工大学教授，QuTech首席研究员。他是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。

参考链接

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp6442

[2]https://qutech.nl/person/ronald-hanson/

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