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

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)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(luò)非相鄰節(jié)點(diǎn)間傳遞。圖片來自Scixel for QuTech

科學(xué)家演示了在一個(gè)三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)非相鄰節(jié)點(diǎn)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(guān)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(gè)位置傳送到另一個(gè)位置，在安全通信、量子計(jì)算、下一代互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。迄今報(bào)道的關(guān)于這一效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)演示一直局限于兩個(gè)相連節(jié)點(diǎn)之間。而非相鄰節(jié)點(diǎn)間的隱形傳態(tài)對(duì)于量子網(wǎng)絡(luò)（如量子互聯(lián)網(wǎng)）的構(gòu)建至關(guān)重要。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Sophie Hermans、Ronald Hanson和同事操作的量子網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)用光纖連成一排的節(jié)點(diǎn)——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(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)首先要讓相鄰節(jié)點(diǎn)共享量子糾纏態(tài)，然后在中間節(jié)點(diǎn)Bob這里進(jìn)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(shí)完成流程的每一步，要求對(duì)這種量子態(tài)的制備、操縱和讀取都做出改進(jìn)。

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(shí)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(diǎn)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(jìn)行通信的量子網(wǎng)絡(luò)又近了一步。

不過，美國(guó)馬里蘭州國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的Oliver Slattery和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院的Yong-Su Kim在同期發(fā)表的新聞?dòng)^點(diǎn)文章中認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)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(duì)該系統(tǒng)的多個(gè)特征進(jìn)行改進(jìn)，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(luò)。

“總得來說，作者所取得的成果和方法是一項(xiàng)重大突破，開創(chuàng)了該領(lǐng)域的新局面。”一位審稿人說。另一位審稿人也表示該研究的亮點(diǎn)包括，首次實(shí)現(xiàn)基于5個(gè)量子位的高階控制的三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)，這一結(jié)果本身就可以被視為可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的重大突破；首次演示了跨越非相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無條件量子比特隱形傳輸，這是一個(gè)概念上的突破，因?yàn)樗M了實(shí)際多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，在這種情況下，量子通信需要超越簡(jiǎn)單的雙節(jié)點(diǎn)情況；結(jié)合了優(yōu)秀的方法改進(jìn)和創(chuàng)新，主要是草擬了局部和雙節(jié)點(diǎn)量子態(tài)保真度的改進(jìn)。

其中一個(gè)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(xué)顯微鏡拍攝。圖片來自Matteo Pompili for QuTech

研究者們正在針對(duì)一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作，鏡子和過濾器會(huì)將激光束導(dǎo)向鉆石芯片。圖片來自Marieke de Lorijin for QuTech

相關(guān)論文信息：

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