科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

據(jù)《自然》雜志近日?qǐng)?bào)道，美國加州理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)又包含多個(gè)量子比特，意味著單自旋量子比特網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用。這一成果為未來的量子通信系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種糾纏多路復(fù)用協(xié)議。它能并行分發(fā)量子信息，有效創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。這是首次在由單個(gè)自旋量子比特組成的量子網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，大幅提高了節(jié)點(diǎn)間的量子通信速率。

量子通信的目標(biāo)是利用被糾纏的原子作為量子比特來共享或傳輸量子信息。然而，受限于量子比特制備和光子傳輸?shù)臅r(shí)間，目前的通信速率較低。糾纏多路復(fù)用技術(shù)通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用多個(gè)量子比特克服了這一瓶頸問題。團(tuán)隊(duì)通過同時(shí)制備和傳輸多個(gè)量子比特，使糾纏速率可隨著量子比特?cái)?shù)量的增加而成比例提升。

在該量子網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)由納米級(jí)釩酸釔晶體結(jié)構(gòu)組成。團(tuán)隊(duì)在晶體中嵌入鐿原子作為量子比特存儲(chǔ)和處理信息，并利用激光激發(fā)這些原子，使其發(fā)射攜帶量子信息的糾纏光子。這些糾纏光子分別從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，并傳輸至中央檢測站。

在新協(xié)議中，光子抵達(dá)中央檢測站后，執(zhí)行了量子前饋控制，即基于光子的探測信息，應(yīng)用特定量子電路，確保不同光學(xué)頻率的原子仍能保持糾纏態(tài)。

基于釩酸釔晶體的量子信息處理平臺(tái)可容納大量量子比特。此次實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含約20個(gè)量子比特。未來，該系統(tǒng)有望擴(kuò)展至每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)百個(gè)量子比特。

總編輯圈點(diǎn)

在量子通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子糾纏態(tài)的制備與操控，是科學(xué)家的重要努力方向。單自旋量子比特網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，意味著可以在同一物理系統(tǒng)中同時(shí)操控多個(gè)量子比特，并行分發(fā)量子信息，大大提升了量子比特的利用效率。這就好比把原先的單條道路，拓展成包含多條道路的交通樞紐，可以允許多輛汽車在同一時(shí)間、不同車道上高效行駛。展望未來，單自旋量子比特網(wǎng)絡(luò)多路復(fù)用技術(shù)有望為大規(guī)模量子計(jì)算和量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供重要技術(shù)支撐。