研究人员演示了远程超导节点之间的多光子态转移

来源:Grebel et al.

在过去的几十年里，量子物理学家和工程师们一直在努力开发新的、可靠的量子通信系统。这些系统最终可以作为评估和推进通信协议的测试平台。

芝加哥大学的研究人员最近推出了一种新的量子通信试验台，该试验台具有远程超导节点，并在该试验台上演示了双向多光子通信。他们的论文发表在《物理评论快报》上，为实现超导电路中复杂量子态的高效通信开辟了一条新的途径。

“我们正在开发用于模块化量子计算的超导量子比特，并将其作为量子通信测试平台，”该论文的合著者安德鲁·克莱兰(Andrew Cleland)告诉Phys.org。“两者都依赖于能够在量子比特节点之间相干地通信量子态，这些节点通过稀疏的通信网络相互连接，通常是一条物理传输线。”

研究人员最近的研究建立在之前发表在《自然物理学》和《自然》杂志上的两篇研究论文的基础上。在之前的工作中，该团队证明了他们可以产生远程纠缠并发送复杂的量子态，后者一次一个量子比特。“在我们的新研究中，我们想尝试同时发送代表多个量子位的复杂量子态，”克莱兰说。“为了做到这一点，我们将量子态加载到谐振器中，然后将整个谐振器状态发送到传输线中，用远程谐振器捕获它以供后续分析。”

谐振器，一种表现出电共振的设备，名义上具有无限数量的量子能级。因此，理论上它们能够存储非常复杂的状态，这些状态可以编码几个量子位的数据。由于这些有利的特性，使用谐振器发送和接收数据可以增加可用带宽。在他们的实验中，Cleland和他的同事使用了两个超导量子位，每个量子位都连接到一个可调谐的超导谐振器。每个谐振器依次通过一个称为可变耦合器的设备连接到一条2米长的传输线上。克莱兰说:“我们使用一个超导量子比特，用我们多年前建立的方法，将不同量子态的量子比特‘编程’到它的伴侣谐振器。”“然后我们打开谐振器与传输线的耦合，将(可能复杂的)量子态从谐振器释放到传输线，在那里它作为一组(可能复杂的)纠缠的移动光子传输。然后，它们被另一个谐振器“捕获”，使用与释放过程相反的方法，我们使用该谐振器的量子比特来分析接收到的状态。该系统在任何一个方向上都能传输得同样好(因此是“双向”)。"

研究人员的设计使他们能够实现单微波频率光子的双向传输，以及在一个方向上双光子Fock态|2>与另一个方向上单光子Fock态|1>的同时传输，以及叠加光子Fock态|0>+|1>和|0>+|2>的(单独)传输。【【## #】】Cleland说:“我们随后展示了所谓的N00N状态的产生，代表了两个谐振器之间的纠缠，最终实现了首先在两个谐振器之间产生一个光子共享的纠缠态|10>+|01>，然后在两个光子以同样的方式共享的状态|20>+|02>的产生。”“总的来说，我们的工作展示了一条通往更复杂量子态的高效通信的可行途径，而不仅仅是两个节点之间的单个光子。”

Cleland和他的同事们介绍的新的量子通信测试平台可能很快就会为进一步的工作和进步铺平道路。首先，它可以用于实现分布式计算，即电路中的每个节点都进行计算并有效地将结果传递给另一个节点。此外，它还可以用于演示两个节点共享复杂状态的系统，并且每个节点对该状态执行不同的操作。

Cleland补充说:“我们的平台也可以用于量子通信，例如，一些复杂的编码量子信息可以在一次传输中传输。”“我们现在正在研究这个实验的许多不同方面;例如，我们计划增加节点的数量(在我们最近的实验中是两个)，增加过程的保真度，并探索如果我们有更多的并行通信通道，可能会发生什么。"

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