諾獎成果再上一層樓，集成錯誤檢測的多量子比特網絡節點！

一、【導讀】

2022年諾貝爾物理學獎授予Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，表彰他們“用糾纏光子實驗，驗證了量子力學違反貝爾不等式，開創了量子信息科學”。遠距離分發量子信息的能力是量子信息科學中一項重要的賦能技術，在量子密鑰分發、非局域傳感和分布式量子計算等領域具有廣泛的應用。實現這種遠距離量子網絡的一個關鍵要求是開發量子中繼器，以減輕在超長距離傳輸過程中的光子量子比特損失。這些需求包含多個量子比特的網絡節點，可以收集、存儲和處理通過光子通道傳遞的信息。

金剛石納米光子結構中的顏色中心由于其長相干時間、高保真單量子比特門、高效的量子比特-光子接口和高的實驗重復率，最近成為實現此類節點的主要候選材料。通過使用基于氮空位（NV）中心和附近核自旋的多量子比特寄存器，量子網絡已經邁出了重要的一步，但光子的低耦合效率使得可擴展性具有挑戰性。光腔中的捕獲離子和中性原子可以實現與光子的高效耦合，但量子中繼器的可擴展實現需要訪問輔助存儲器量子比特，以執行糾纏交換、純化和錯誤檢測，迄今為止一直是在單個設置中難以實現的。

二、【成果掠影】

近日，美國哈佛大學M. D. Lukin教授團隊報道了報道了基于金剛石納米光子腔中硅空穴中心（SiV）的集成雙量子比特網絡節點的實現。量子比特寄存器包括作為通信量子比特的SiV電子自旋和作為記憶量子比特的強耦合硅-29核自旋，其量子記憶時間超過2秒。通過使用高度應變的SiV，研究人員在高達1.5開爾文的溫度下實現了電子-光子糾纏門，在高達4.3開爾文下實現了核-光子糾纏門。研究人員還通過使用電子自旋作為標志量子比特，證明了核自旋-光子門中的高效錯誤檢測，使該平臺成為可擴展量子中繼器的有希望的候選者。相關研究成果以題為“Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection”發表在知名期刊Science上。

三、【圖文導讀】

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圖一、基于²⁹SiV的量子網絡節點 ? 2022 AAAS

圖二、基于²⁹Si核自旋的長壽命量子存儲器 ? 2022 AAAS

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圖三、高溫下的自旋光子糾纏 ? 2022 AAAS

圖四、具有集成誤差檢測的自旋光子糾纏 ? 2022 AAAS

四、【前景展望】

本研究為實現量子網絡和探索其應用開辟了若干新途徑。通過將光子從不同通信方到達存儲節點的時間窗口擴展到用于異步貝爾測量的存儲節點，對附加存儲器量子比特的訪問直接實現了改進的存儲器增強量子密鑰分配，而相位讀出協議便于在信息存儲在核上時在糾纏嘗試之間進行電子重置。核存儲器還可以擴展SiV作為單個光子源的能力，以創建光子簇狀態。這里演示的方法還可以部署可擴展的基于SiV的量子中繼器網絡。除了實現多節點量子網絡協議，這些系統還可以生成復雜光子樹簇態，從而實現穩健的單向遠程量子通信。

文獻鏈接：Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection (Science 2022, 378, 557-560)