單自旋量子比特網(wǎng)絡實現(xiàn)多路復用為未來量子通信系統(tǒng)奠定基礎

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3月1日，據(jù)新一期《自然》雜志報道，美國加州理工學院領導的研究團隊搭建了一個包含兩個節(jié)點的量子網(wǎng)絡，其中每個節(jié)點又包含多個量子比特，意味著單自旋量子比特網(wǎng)絡實現(xiàn)了多路復用。這一成果為未來的量子通信系統(tǒng)奠定了基礎。

為實現(xiàn)這一目標，團隊開發(fā)了一種糾纏多路復用協(xié)議。它能并行分發(fā)量子信息，有效創(chuàng)建多個數(shù)據(jù)傳輸通道。這是首次在由單個自旋量子比特組成的量子網(wǎng)絡中實現(xiàn)多路復用，大幅提高了節(jié)點間的量子通信速率。

量子通信的目標是利用被糾纏的原子作為量子比特來共享或傳輸量子信息。然而，受限于量子比特制備和光子傳輸?shù)臅r間，目前的通信速率較低。糾纏多路復用技術通過每個節(jié)點使用多個量子比特克服了這一瓶頸問題。團隊通過同時制備和傳輸多個量子比特，使糾纏速率可隨著量子比特數(shù)量的增加而成比例提升。

在該量子網(wǎng)絡中，兩個節(jié)點由納米級釩酸釔晶體結構組成。團隊在晶體中嵌入鐿原子作為量子比特存儲和處理信息，并利用激光激發(fā)這些原子，使其發(fā)射攜帶量子信息的糾纏光子。這些糾纏光子分別從兩個節(jié)點出發(fā)，并傳輸至中央檢測站。

在新協(xié)議中，光子抵達中央檢測站后，執(zhí)行了量子前饋控制，即基于光子的探測信息，應用特定量子電路，確保不同光學頻率的原子仍能保持糾纏態(tài)。

基于釩酸釔晶體的量子信息處理平臺可容納大量量子比特。此次實驗中，每個節(jié)點包含約20個量子比特。未來，該系統(tǒng)有望擴展至每個節(jié)點包含數(shù)百個量子比特。

在量子通信領域，實現(xiàn)大規(guī)模量子糾纏態(tài)的制備與操控，是科學家的重要努力方向。單自旋量子比特網(wǎng)絡實現(xiàn)多路復用，意味著可以在同一物理系統(tǒng)中同時操控多個量子比特，并行分發(fā)量子信息，大大提升了量子比特的利用效率。這就好比把原先的單條道路，拓展成包含多條道路的交通樞紐，可以允許多輛汽車在同一時間、不同車道上高效行駛。展望未來，單自旋量子比特網(wǎng)絡多路復用技術有望為大規(guī)模量子計算和量子通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)提供重要技術支撐。