最新研究成果:通过量子纠缠交换连接在一起的异构量子互联网

发布时间:2020-06-04

巴黎索邦大学(Sorbonne University)和美国国家标准技术研究所(NIST)研究人员,在最近《科学进展》上发表的题为:“通过混合纠缠交换连接异构量子网络”的论文,宣布迈向量子互联网发展的重要一步,该团队展示了一种连接不一定基于同一类型编码的不同类型量子节点的异构量子互联网络。

研究人员成功实施了一种新颖的“混合”纠缠交换协议,使未来异构结构的量子互联网中不同平台的相互连接。启用这种类型的网络连接是可以执行专用量子增强任务的不同物理平台互联的关键要求。

量子网络由位于远处节点的量子系统组成,并通过称为“远距离的怪异动作”的量子纠缠的非经典关联进行连接。这种连接从量子安全通信到增强测量等领域均胜过当前的传统网络。与信息可以根据手头的任务以两种不同的数字或模拟方式进行编码的经典网络相似,量子网络可以依据其波粒二象性对信息进行数字或模拟。

一方面,量子网络可以通过量子位的粒子性进行类似于数字的编码,这被称为“离散变量”;另一方面,人们可能更喜欢使用“连续变量”,类似模拟的编码,这种编码会激发量子的波动性质,这是量子力学众所周知的结果。

如上图所示纠缠交换链接在一起的异构量子网络。这个过程可以使更长距离的不同物理平台连接起来,并使量子信息从一种编码转换为另一种编码。

在量子网络中,遥远节点的连接通过称为纠缠交换的特定操作执行。此过程允许通过在与所涉及的系统分别纠缠的其他两个资源之间使用专门的度量来连接以前从未交互过的系统。这种称为贝尔状态测量的操作有效地将纠缠转移或“纠缠”到最终系统。然而,由于纠缠的脆弱性,实现对于建立量子连接至关重要的协议对物理学家来说是真正的挑战。为了实现纠缠的转移以及不同类型节点之间的连接,需要生成两个高度纠缠的状态,尤其是粒状和波状量子位之间的一种“杂乱纠缠”状态。研究团队已经从这两个来源成功传播了从未直接相互作用的不同光状态之间的纠缠。

巴黎索邦大学研究生、该论文的主要作者之一、汤姆·达拉斯(Tom Darras)说:“这项工作为进一步研究异构量子网络的实施打下了基础。 “到目前为止,两个研究组织正在使用不同的路线开发量子通信。现在,已经建立了桥梁,我们希望看到利用每个分支的优势,新型混合模式的出现将比当前的发展更远。”

实验中涉及的两个光学纠缠态是使用光学参量振荡器(optical parametric oscillators)设计的,光学参量振荡器是有效的非线性源。通过在不知道遵循哪个路径的情况下,在两个不同的路径之间“分裂”单个光子,可以获得一个纠缠状态。另一个是离散变量光量子位与连续变量的薛定谔猫光量子位(Schrdinger cat optical qubit)之间的“混合纠缠”(hybrid-entangled)状态,这是指薛定谔思想实验将宏观物体耦合到量子系统。一旦通过先驱过程产生了纠缠,就可以通过独特的混合贝尔状态测量交换纠缠。研究人员完成了该实验的每个步骤,从创建初始纠缠状态到完全表征交换操作后的纠缠。

玛丽·居里博士后研究员、该论文主要作者、乔凡尼·古奇尼(Giovanni Guccione)补充说:“团队在工程纠缠方面的完整专业知识,再加上用于量子状态生成和表征的最新工具,对协议的成功至关重要。”

论文作者、博士后研究员、艾德里安·卡瓦雷斯(Adrien Cavaillès)指出:除了在不同用户之间创建连接之外,该实验是迈向构建可扩展网络的关键一步。“纠缠是一种固有的脆弱资源,这意味着它在更大距离上的分布是一个巨大的挑战。 “随着它扩展了分布的可访问范围,研究小组执行的纠缠交换协议对于未来的大规模混合量子网络至关重要。”

研究人员还强调:“即使现在已经可以连接不同性质的量子节点,但这种连接目前仅限于光学系统,需要扩展到许多其他物理平台。”一个功能齐全的异质量子网络仍然需要在工程和不同物质系统之间的纠缠转移方面取得重大进展。

该研究建立在巴黎索邦大学劳拉特(Laurat)教授近年来的研究进展的基础上,进一步首次验证类粒子和类波量子比特之间的混合纠缠到混合态工程及其在量子信息协议中的用于远程应用状态准备或安全认证。

参考:Connecting heterogeneous quantum networks by hybrid entanglement swapping. Science Advances. 2020