科學家實現跨越7公里的分布式光量子計算

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日前，中國科學技術大學郭光燦院士團隊的教授李傳鋒、周宗權、柳必恒等人基于多模式固態量子存儲和量子門隱形傳送協議在合肥市區實現了跨越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算法。10月2日，該成果發表于《自然-通訊》。

跨越7公里的非局域量子門示意圖。中國科大供圖

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分布式量子計算是解決量子計算可擴展性難題的一條可行路徑，它通過非局域量子門連接獨立的量子計算節點，從而整合量子網絡中的算力資源來實現量子計算規模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數十米的尺度下實現實驗演示，無法滿足在大尺度量子網絡中整合算力資源的需求。

在該工作中，研究團隊基于量子門隱形傳送協議來建立兩個量子節點之間的非局域量子門。兩個量子節點之間的直線距離為7公里，分別位于中國科學技術大學東校區（以下簡稱中國科大）和合肥市大蜀山東側（以下簡稱大蜀山）。

研究團隊首先在兩節點間使用通信波段光子和專線光纜進行了量子糾纏態的遠程分發。隨后，中國科大節點和大蜀山節點分別執行本地的兩比特量子門操作。中國科大節點采用摻銪硅酸釔晶體實現糾纏光子的存儲，直到接收到大蜀山節點的測量結果，并根據這一結果執行相應的單比特門操作。

實驗結果表明，中國科大節點的光子與大蜀山節點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88.7%。固態量子存儲器的糾纏存儲時間達到80.3微秒，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲的時間模式數達1097個，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，研究團隊進一步在這兩個遠程節點間演示了兩比特的Deutsch-Jozsa算法以及量子相位估計算法，成功實現了量子算法的遠程分布式執行。

該工作首次在城市距離上實現分布式光量子計算的演示，展示了基于量子存儲和通信光纜構建分布式量子計算網絡的可行性，為規模化量子計算的實現提供了新思路。

審稿人對該工作給予高度評價：“這是一項杰出的工作，它結合了幾項非常具有挑戰性的技術要素，包括糾纏光子對、光量子存儲器、城域量子通信，實現了首創性的演示。”“我們認為該工作在實現量子網絡方面取得了重要的進展，它開辟了一個新的實驗方向去實現分布式量子信息處理。”