日前，中國科大郭光燦院士團隊在量子網(wǎng)絡領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)、柳必恒等人基于多模式固態(tài)量子存儲和量子門隱形傳送協(xié)議在合肥市區(qū)實現(xiàn)了跨越7公里的非局域量子門，并演示了分布式的Deutsch-Jozsa算法及量子相位估計算法。該成果10月2日發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。
分布式量子計算是解決量子計算可擴展性難題的一條可行路徑，它通過非局域量子門連接獨立的量子計算節(jié)點，從而整合量子網(wǎng)絡中的算力資源來實現(xiàn)量子計算規(guī)模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數(shù)十米的尺度下實現(xiàn)實驗演示，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡中整合算力資源的需求。
在該工作中，研究團隊基于量子門隱形傳送協(xié)議來建立兩個量子節(jié)點之間的非局域量子門。兩個量子節(jié)點之間的直線距離為7公里，分別位于中國科學技術(shù)大學東校區(qū)（簡稱中國科大）和合肥市大蜀山東側(cè)（簡稱大蜀山）。研究團隊首先在兩節(jié)點間使用通信波段光子和專線光纜進行了量子糾纏態(tài)的遠程分發(fā)。隨后，中國科大節(jié)點和大蜀山節(jié)點分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。中國科大節(jié)點采用摻銪硅酸釔晶體實現(xiàn)糾纏光子的存儲，直到接收到大蜀山節(jié)點的測量結(jié)果，并根據(jù)這一結(jié)果執(zhí)行相應的單比特門操作。
實驗結(jié)果表明，中國科大節(jié)點的光子與大蜀山節(jié)點的光子之間完成了兩比特非局域量子門操作，其中受控非門的保真度達88.7%。固態(tài)量子存儲器的糾纏存儲時間達到80.3μs，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲的時間模式數(shù)達1097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升。基于非局域量子門，研究團隊進一步在這兩個遠程節(jié)點間演示了兩比特的Deutsch-Jozsa算法以及量子相位估計算法，成功實現(xiàn)了量子算法的遠程分布式執(zhí)行。
該工作首次在城市距離上實現(xiàn)分布式光量子計算的演示，展示了基于量子存儲和通信光纜構(gòu)建分布式量子計算網(wǎng)絡的可行性，為規(guī)模化量子計算的實現(xiàn)提供了新思路。
審稿人對該工作給予高度評價：“This is an excellent work combining several very challenging technical elements (entangled pair generation, optical quantum memory, metropolitan quantum link) in a first of a kind demonstration（這是一項杰出的工作，它結(jié)合了幾項非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)要素，包括糾纏光子對、光量子存儲器、城域量子通信，實現(xiàn)了首創(chuàng)性的演示）”；“We believe that this study reports significant technical advances towards the realization of quantum networks in a way that it initiates a new experimental direction for distributed quantum information processing（我們認為該工作在實現(xiàn)量子網(wǎng)絡方面取得了重要的進展，它開辟了一個新的實驗方向去實現(xiàn)分布式量子信息處理）”。
中國科學院量子信息重點實驗室特任副研究員劉肖、特任教授胡曉敏和博士后朱天翔為論文共同第一作者。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學基金委、安徽省以及中國科學院的資助。周宗權(quán)得到中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員的資助。專線光纜的鋪設(shè)得到了中國聯(lián)通安徽省分公司的支持。
圖1：跨越7公里的非局域量子門。a.量子節(jié)點分布地圖和實驗裝置圖; b.量子門隱形傳送的邏輯線路圖
圖2：分布式量子計算算法的演示。a-e.Deutsch-Jozsa算法的邏輯線路圖和實驗結(jié)果；f-j.量子相位估計算法的邏輯線路圖和實驗結(jié)果
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52912-3
（中國科學院量子信息重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
