邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的非相鄰節(jié)點隱形傳態(tài)

網(wǎng)絡場景下量子隱形傳態(tài)流程的藝術(shù)化展示。量子信息在該網(wǎng)絡非相鄰節(jié)點間傳遞。圖片來自Scixel for QuTech

科學家演示了在一個三節(jié)點量子網(wǎng)絡中，兩個非相鄰節(jié)點之間的量子信息隱形傳態(tài)。這一結(jié)果是朝著量子互聯(lián)網(wǎng)邁出的重要一步。相關研究近日發(fā)表于《自然》。

量子隱形傳態(tài)能將量子信息從一個位置傳送到另一個位置，在安全通信、量子計算、下一代互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)方面具有潛在應用價值。迄今報道的關于這一效應的實驗演示一直局限于兩個相連節(jié)點之間。而非相鄰節(jié)點間的隱形傳態(tài)對于量子網(wǎng)絡（如量子互聯(lián)網(wǎng)）的構(gòu)建至關重要。

荷蘭代爾夫特理工大學的Sophie Hermans、Ronald Hanson和同事操作的量子網(wǎng)絡有三個用光纖連成一排的節(jié)點——Alice、Bob和Charlie，Alice和Bob之間以及Bob和Charlie之間有直接連接，但Alice和Charlie之間沒有。

實現(xiàn)隱形傳態(tài)首先要讓相鄰節(jié)點共享量子糾纏態(tài)，然后在中間節(jié)點Bob這里進行量子交換，從而在Alice和Charlie之間形成糾纏，讓量子信息能在它們之間直接隱形傳送。在保存脆弱量子信息的同時完成流程的每一步，要求對這種量子態(tài)的制備、操縱和讀取都做出改進。

愛麗絲，隱形傳態(tài)量子信息的接收者。在黑色鋁制圓筒內(nèi)，鉆石樣品被冷卻到-270 C，以減少來自環(huán)境的噪音并實現(xiàn)量子控制。圖片來自：Marieke de Lorijn for QuTech

作者指出，研究中演示的非相鄰節(jié)點間的信息共享，或許代表了我們朝著構(gòu)建能通過量子信息隱形傳態(tài)進行通信的量子網(wǎng)絡又近了一步。

不過，美國馬里蘭州國家標準與技術(shù)研究院的Oliver Slattery和韓國科學技術(shù)研究院的Yong-Su Kim在同期發(fā)表的新聞觀點文章中認為，實現(xiàn)量子網(wǎng)絡周圍無處不在的隱形傳態(tài)技術(shù)仍有幾步之遙。作者總結(jié)道，后續(xù)還需對該系統(tǒng)的多個特征進行改進，才能支持多次隱形傳態(tài)，以及構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡。

“總得來說，作者所取得的成果和方法是一項重大突破，開創(chuàng)了該領域的新局面?！币晃粚徃迦苏f。另一位審稿人也表示該研究的亮點包括，首次實現(xiàn)基于5個量子位的高階控制的三節(jié)點量子網(wǎng)絡，這一結(jié)果本身就可以被視為可擴展量子網(wǎng)絡的重大突破；首次演示了跨越非相鄰網(wǎng)絡節(jié)點的無條件量子比特隱形傳輸，這是一個概念上的突破，因為它模擬了實際多節(jié)點量子網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，在這種情況下，量子通信需要超越簡單的雙節(jié)點情況；結(jié)合了優(yōu)秀的方法改進和創(chuàng)新，主要是草擬了局部和雙節(jié)點量子態(tài)保真度的改進。

其中一個鉆石樣品。鉆石表面的黃金結(jié)構(gòu)允許控制量子處理器。照片由光學顯微鏡拍攝。圖片來自Matteo Pompili for QuTech

研究者們正在針對一個量子網(wǎng)絡節(jié)點進行工作，鏡子和過濾器會將激光束導向鉆石芯片。圖片來自Marieke de Lorijin for QuTech

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04772-4