北京
超导电路和特殊探测器让研究人员能够选择更小纠缠态如何连接，而不会造成任何损伤。
量子计算机也许有朝一日能解决让传统机器不堪重负的问题，但让足够多的量子比特协同工作仍是一大挑战。
如今，在一项新研究中，一个中国研究团队展示了一种方法，可以将较小的纠缠微波光子群连接成更大、可编程的量子网络，而不会在连接过程中破坏光子。
他们展示了跨越13个光子量子比特的真纠缠，为更可扩展的量子计算和通信系统提供了一条潜在途径。挑战在于可靠地建立这些连接。量子比特（qubit）可以通过纠缠相连，这是一种量子现象，其中它们的共享状态无法被独立描述。
科学家可以将这些连接排列成称为图态的结构，这些结构可作为量子计算和通信的资源。
“大型光子图态是量子通信、量子网络和基于测量的量子计算的重要资源，”该研究的资深作者、清华大学量子研究员张宏毅告诉我们。
连接较小纠缠态的一种方法是通过称为融合的过程，将它们连接起来形成更大的态。然而，线性光学系统中使用的传统融合方法通常是概率性的，这意味着有些尝试会失败。反复尝试和额外硬件会使构建更大态变得越来越困难。
在不破坏光子的情况下连接光子的诀窍
研究作者提出了一种策略，利用超导电路连接较小的纠缠微波光子群。
该方法不是通过单一过程创建一个巨大的纠缠态，而是通过连接较小的、预先制备好的态来构建更大的网络。
这种方法的关键是一种称为量子非破坏测量的技术。与吸收或破坏光子的测量不同，这种方法可以在提取信息的同时保留光子本身。
在这项实验中，该测量还改变了光子对的联合量子态，使研究人员能够连接较小的图态。
“我们问，是否可以通过使用量子非破坏测量使融合变成确定性的。我们的目标是展示一种确定性、可编程的融合操作，并证明它能为组装更大、可重构的光子图态提供一条实用途径。”张宏毅 说。
研究人员如何连接光子
研究人员首先使用超导电路产生小的纠缠微波光子群。他们将量子信息编码在光子的不同时隙中，使信息能够由不同的到达时间承载。
然后，他们使用量子非破坏探测器测量选定的光子对，并将其投影到一种称为贝尔态的特定纠缠态。这允许在不破坏光子的情况下连接较小的图态。
接下来，通过调节光子的频率（也称为频率调谐），研究人员可以选择哪些光子对进行测量，从而控制较小图态如何连接形成更大的图态。这使融合过程可编程。
该团队还结合了超导量子比特的主动重置和复用，以及内置的误差缓解，以帮助限制退相干的影响，即脆弱的量子性质因与环境相互作用而丢失。
利用这种方法，研究人员展示了跨越13个光子量子比特的真正多体纠缠。这意味着纠缠扩展到整个群体，而不是仅限于孤立的较小群体。
这一成果表明，融合过程可以产生更大、可重构的光子图态。“我们的主要贡献是一种确定性、可编程且非破坏性的融合操作，”张宏毅说。
迈向可扩展量子网络的一步
大型光子图态可以支持基于测量的量子计算，其中计算是通过对纠缠态进行精心选择的测量来执行的。
它们还可能有助于推进量子网络和量子纠错方案，这些方案旨在保护量子信息免受错误影响。
“这项工作提供了一种通过连接更小的按需资源态来扩展光子图态的架构。这与未来的基于测量的量子计算、量子网络以及潜在的量子纠错方案相关，在这些方案中，图态的大小和连通性都很重要，”张宏毅解释道。
然而，展示跨越13个量子比特的纠缠并不等同于构建一台实用的大规模量子计算机。该系统仍需在设备精度、光子产生效率和探测器性能方面进行改进。
因此，研究人员现在计划开发多探测器架构，以执行更多融合操作并生成更大、更复杂的图态。这种方法能否在保持所需性能的同时高效扩展，仍有待观察。
该研究发表在《自然·物理学》期刊上。
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