科技日報記者 張佳欣

據(jù)《自然》雜志近日報道，美國加州理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊搭建了一個包含兩個節(jié)點的量子網(wǎng)絡(luò)，其中每個節(jié)點又包含多個量子比特，意味著單自旋量子比特網(wǎng)絡(luò)實現(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)。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊開發(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)建多個數(shù)據(jù)傳輸通道。這是首次在由單個自旋量子比特組成的量子網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)多路復(fù)用，大幅提高了節(jié)點間的量子通信速率。

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間，目前的通信速率較低。糾纏多路復(fù)用技術(shù)通過每個節(jié)點使用多個量子比特克服了這一瓶頸問題。團(tuán)隊通過同時制備和傳輸多個量子比特，使糾纏速率可隨著量子比特數(shù)量的增加而成比例提升。

在該量子網(wǎng)絡(luò)中，兩個節(jié)點由納米級釩酸釔晶體結(jié)構(gòu)組成。團(tuán)隊在晶體中嵌入鐿原子作為量子比特存儲和處理信息，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節(jié)點出發(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可容納大量量子比特。此次實驗中，每個節(jié)點包含約20個量子比特。未來，該系統(tǒng)有望擴(kuò)展至每個節(jié)點包含數(shù)百個量子比特。

總編輯圈點

在量子通信領(lǐng)域，實現(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)實現(xiàn)多路復(fù)用，意味著可以在同一物理系統(tǒng)中同時操控多個量子比特，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)模量子計算和量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)提供重要技術(shù)支撐。