量子網(wǎng)絡(luò)是基于量子力學規(guī)律對量子信息進行存儲、處理和傳輸?shù)奈锢硌b置，是實現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計算的基礎(chǔ)。清華大學研究團隊利用同種離子的雙類型量子比特編碼，在國際上首次實現(xiàn)無串擾的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對未來實現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計算具有重要意義。該研究成果近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·通訊》。
量子網(wǎng)絡(luò)可由不同的物理載體實現(xiàn)，離子阱是其中最有潛力的物理系統(tǒng)之一。離子-光子糾纏是實現(xiàn)離子阱量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟，但該操作會影響離子存儲比特，導致信息丟失。為避免這種串擾現(xiàn)象，研究人員通常采用不同種類的離子來分別產(chǎn)生離子-光子糾纏和存儲量子信息，抑制串擾誤差。然而，這種方法往往需要的器件成本較高，在操作中還需精細控制不同種類離子的比例和位置，且不同離子間的協(xié)同冷卻效率低，操作難度大。
圖為無串擾量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點演示圖（受訪者供圖）
為此，清華大學交叉信息研究院段路明教授課題組經(jīng)過長期研究，創(chuàng)造性提出使用同種離子的雙類型量子比特實現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的方案。清華大學交叉信息研究院助理研究員黃園園介紹，他們利用同種離子的兩對超精細能級結(jié)構(gòu)，分別編碼出量子網(wǎng)絡(luò)中用于與光子產(chǎn)生糾纏的“通訊比特”和用于存儲信息的“存儲比特”。同時，利用激光還實現(xiàn)了兩種量子比特間微秒量級的相干轉(zhuǎn)換。
實驗發(fā)現(xiàn)，通過此方法制備出的通訊比特，可在數(shù)百毫秒的時間內(nèi)生成離子-光子糾纏；通過自旋回波方法可延長存儲比特的存儲壽命，實現(xiàn)相干時間達到秒量級的存儲量子比特。通過比較有無離子-光子糾纏生成操作時存儲比特的保真度變化，研究人員證實了兩種量子比特之間低于實驗精度的串擾誤差，從而實現(xiàn)了無串擾的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
圖為清華大學交叉信息研究院博士生馮路（左）和助理研究員黃園園（右）正在實驗室研究（受訪者供圖）
中國科學院院士、清華大學交叉信息研究院教授段路明表示，相較于此前采用不同種類離子產(chǎn)生離子-光子糾纏和存儲量子信息的方案，這一新方案在硬件上極大簡化了實驗系統(tǒng)，保證了信息傳播及存儲的效果，向未來量子計算機和量子網(wǎng)絡(luò)的模塊化邁出了重要一步。（魏夢佳）
（責任編輯：蔡文斌）
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