量子隐形传态扩展到相邻节点之外

研究人员在光具座上工作的照片,沐浴在绿光中

正在进行的隐形传态 荷兰 QuTech 的研究人员正在进行量子隐形传态实验。 (礼貌:QuTech)

荷兰的物理学家首次证明,量子信息可以在不直接相互连接的网络节点之间可靠地传送。 据研究人员称,他们于 2021 年在 QuTech(代尔夫特理工大学与 TNO 的合作)创建了世界上第一个三节点量子网络,最新工作标志着朝着可扩展的量子互联网又迈出了一步。

量子网络提供了一种在不同位置或节点之间传输信息的超级安全方式。 虽然可以使用普通光纤连接这些节点,但光纤内的光子损失会限制连接的质量或保真度:当光子丢失时,其量子信息也会丢失。 使用量子纠缠将信息直接从一个节点传送到另一个节点消除了这种丢失机制,使其成为未来量子互联网的理想选择。

2021 年在 QuTech 展示的三节点网络使用了由氮空位 (NV) 中心制成的量子位或量子位,这是金刚石碳Atom晶格中的缺陷。 每个节点都包含一个通信量子位,一个节点还包含一个内存量子位(由相邻的碳Atom制成),可以存储节点的量子信息。 因此,纠缠三个节点的构建块已经存在,但该系统在持续传送状态方面远非可靠。

量子隐形传态

将量子信息从发送者传送到接收者的第一步是在它们各自的量子位之间建立纠缠。 对发送者的量子比特执行所谓的贝尔状态测量 (BSM) 会导致其量子状态传送——这意味着它会从发送者的节点上消失,并以加密的形式出现在接收者的节点上。 然后可以使用通过经典通道(例如光纤)发送到接收器的 BSM 结果来解密量子态。

以前,这仅在两个相邻的网络点上完成,传统上称为 Alice 和 Bob。 添加第三点 Charlie 并非易事,因为 Alice 和 Charlie 之间的纠缠需要通过中间节点 Bob 创建。 它还需要高保真度才能使隐形传态发挥作用。

优化步骤

为了达到这种高保真度,QuTech 研究人员进行了多次升级。 在他们之前的系统中,指示纠缠的“预示”信号来自检测用于纠缠的光子的相同光电探测器。 然而,由于各种不希望的过程产生第二个光子,这可能导致错误的预示信号。 为了避免这种情况,该团队设置了一条额外的检测路径,通过捕获第二个光子来标记错误的预示信号。

显示用电线连接的钻石样品的照片近距离量子比特:钻石样品中的氮空位中心用作隐形传态实验中的量子比特。 (礼貌:QuTech)

研究人员解决的另一个问题是光谱扩散,它会导致量子位异相,降低传输的保真度。 这个过程对后期发出的照片影响更大,因此团队缩短了检测窗口。

最后一组改进涉及用于存储量子信息的内存。 首先,该团队保护记忆量子位免受与相邻核自旋的相互作用。 为此,他们将磁场脉冲集成到纠缠序列中,以设定的时间间隔超越记忆量子位,从而平均化这些不需要的相互作用的影响。 他们还提高了读取内存量子位的能力。 因为内存量子比特的状态之一具有更有利的保真度,所以它的读数是不对称的。 通过重复读数过程,该团队过滤掉了“坏”读数,最终提高了保真度。

让我振作起来

在这些改进之后,研究人员能够在查理和爱丽丝的非相邻节点之间传送量子信息。 首先,他们通过鲍勃的纠缠爱丽丝的量子比特和查理的量子比特。 查理随后将其部分纠缠态存储在其记忆量子位中,并准备好要传送的量子态。 在 Charlie 应用 BSM 会将状态传送给 Alice。 研究人员随后将 BSM 结果发送给 Alice,并以 71% 的保真度检索了状态——高于 ⅔ 的经典界限,证明隐形传输是成功的。

领导这项研究的 QuTech 研究员 Ronald Hanson 表示,该团队的下一步将是扩大内存量子比特的数量,从而使运行更复杂的协议成为可能。 另一个目标是让该技术在实验室环境之外发挥作用,例如通过在真实网络中使用已经部署的光纤。 “我们还与计算机科学家合作开发量子网络控制堆栈——一个类似的控制层堆栈,目前运行我们今天都使用的互联网,”他告诉物理世界。

未参与该研究的西班牙巴塞罗那 ICFO 研究员 Hugues de Riedmatten 表示,非相邻节点上的量子隐形传态是一个重要的里程碑。 在他看来,该团队最大的成就是将几个具有挑战性的实验——所有这些实验都需要完全优化以达到量子隐形传态所需的保真度——结合到一个演示中。 de Riedmatten 指出,目前的设置只能使用一小部分发射的光子,这限制了其远程纠缠率。 然而,他补充说,这可以通过将 NV 中心嵌入光学腔中以收集更多光子或使用其他发射器来解决。

日本庆应大学的 Rodney Van Meter 也对这项工作表示赞赏,称其为连接两方的简单通道与实际网络之间的根本区别。 他指出,其中一个困难是在每个节点上扩大到大量的量子比特,但世界各地的其他团队一直在为 NV 中心的量子比特解决这个问题。 由于代尔夫特团队已经计划增加其网络中的节点数量,他说,他“期待看到他们接下来会生产什么”。

该研究在《自然》杂志上进行了描述。

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