远程固态量子位的多节点量子网络的实现_风闻

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远程固态量子位的多节点量子网络的实现

由欧盟量子技术旗舰项目、荷兰科学研究组织以及奥地利国家科学基金等机构的联合支持，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员实现了一种基于三节点纠缠的量子网络，能够完成多节点量子网络的所有元素实现和集成。相关工作发表在《Science》上。

未来量子网络在多个节点上共享纠缠将实现一系列应用，如安全通信、分布式量子计算、增强传感和量子力学基础测试。 在过去的十年中，人们致力于实现这样一个网络的构建模块：量子节点能够建立远程纠缠链路，以及本地存储、处理和读取量子信息。

通过光通道在一对单独控制的量子比特之间产生纠缠，用捕获离子和原子、金刚石氮环境（NV）中心和量子点证明了纠缠的产生。 此外，在这些基本的两节点链路上还探索了一些量子网络原语，包括非局域量子门和纠缠蒸馏。

到目前为止，将这些量子比特平台移到两节点实验之外仍然是一个突出的挑战，因为这是几个苛刻要求的结合。这需要多个高性能量子节点，包括一个具有光接口的通信量子比特以及一个用于存储和处理的高效存储量子比特。此外，单个纠缠链路需要嵌入到多节点量子网络中，需要可伸缩的体系结构和多节点控制协议。 可扩展架构和多节点控制协议。

为此，研究人员提出了一种量子网络结构以及对应的网络操作协议。该量子网络由三个空间分离的量子节点组成，每个节点由一个作为通信量子位的NV中心电子自旋组成。中间节点使用碳-13核自旋作为记忆量子位。通信量子位的初始化和单次读出通过共振光激发和状态相关荧光的测量来执行。电子核寄存器上的通用量子逻辑是通过在芯片上传送定制的微波脉冲来实现的。这些节点通过量子信号的光纤网络连接，以及用于同步控制操作和中继预告信号的经典通信信道。远程纠缠的产生取决于发射光子之间的不可分辨性。对于剩余偏移，他们则通过直流斯塔克调谐在每个节点用芯片上产生偏置场来消除。

对于该量子网络的操作，他们通过运行两个关键的量子网络协议来实现。首先，他们在三个节点上建立格林伯格-霍恩-泽林格(GHZ)纠缠态。其次，通过中间节点执行纠缠交换。由于对所有量子位的有效相干保护，加上实时前馈操作，这些协议以一种预示的方式实现，提供了准备进一步使用的最终状态。研究人员还演示了两个规范的网络协议:真正的多部分纠缠的分布和两个非最近邻节点的纠缠交换。

这项工作通过纠缠交换实现了三个节点上的多部分纠缠分布和任意对任意的连通性，为探索、测试和开发多节点量子网络协议和量子网络控制堆栈建立了一个关键平台，例如，通过扩展节点的本地寄存器。研究人员在一个类似的设备上演示了一个完全控制的10量子位寄存器。此外，该网络为开发和测试高级量子网络控制层提供了一个强大的平台，例如最近提出的量子网络链路层协议。NV光子的量子频率转换可用于连接网络节点与部署的电信光纤，为在大都市距离上进行短期量子网络测试铺平了道路。最后，这里开发的方法为将来达到相同成熟度的类似平台提供指导。