日前，中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)、柳必恒等人基于多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)和量子門隱形傳送協(xié)議在合肥市區(qū)實(shí)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(jì)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(jì)算是解決量子計(jì)算可擴(kuò)展性難題的一條可行路徑，它通過非局域量子門連接獨(dú)立的量子計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從而整合量子網(wǎng)絡(luò)中的算力資源來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)演示，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。
在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于量子門隱形傳送協(xié)議來建立兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的非局域量子門。兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)之間的直線距離為7公里，分別位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)東校區(qū)（簡(jiǎn)稱中國科大）和合肥市大蜀山東側(cè)（簡(jiǎn)稱大蜀山）。研究團(tuán)隊(duì)首先在兩節(jié)點(diǎn)間使用通信波段光子和專線光纜進(jìn)行了量子糾纏態(tài)的遠(yuǎn)程分發(fā)。隨后，中國科大節(jié)點(diǎn)和大蜀山節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。中國科大節(jié)點(diǎn)采用摻銪硅酸釔晶體實(shí)現(xiàn)糾纏光子的存儲(chǔ)，直到接收到大蜀山節(jié)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，并根據(jù)這一結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的單比特門操作。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中國科大節(jié)點(diǎn)的光子與大蜀山節(jié)點(diǎn)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(dá)88.7%。固態(tài)量子存儲(chǔ)器的糾纏存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到80.3μs，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲(chǔ)的時(shí)間模式數(shù)達(dá)1097個(gè)，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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在這兩個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)間演示了兩比特的Deutsch-Jozsa算法以及量子相位估計(jì)算法，成功實(shí)現(xiàn)了量子算法的遠(yuǎn)程分布式執(zhí)行。
該工作首次在城市距離上實(shí)現(xiàn)分布式光量子計(jì)算的演示，展示了基于量子存儲(chǔ)和通信光纜構(gòu)建分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的可行性，為規(guī)模化量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。
審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)：“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(xiàng)杰出的工作，它結(jié)合了幾項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)要素，包括糾纏光子對(duì)、光量子存儲(chǔ)器、城域量子通信，實(shí)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(rèn)為該工作在實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了重要的進(jìn)展，它開辟了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)方向去實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理）”。
中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。周宗權(quán)得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)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(diǎn)分布地圖和實(shí)驗(yàn)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(jì)算算法的演示。a-e.Deutsch-Jozsa算法的邏輯線路圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果；f-j.量子相位估計(jì)算法的邏輯線路圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52912-3
（中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
