诺奖成果再上一层楼，集成错误检测的多量子比特网络节点！

一、【导读】

2022年诺贝尔物理学奖授予Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，表彰他们“用纠缠光子实验，验证了量子力学违反贝尔不等式，开创了量子信息科学”。远距离分发量子信息的能力是量子信息科学中一项重要的赋能技术，在量子密钥分发、非局域传感和分布式量子计算等领域具有广泛的应用。实现这种远距离量子网络的一个关键要求是开发量子中继器，以减轻在超长距离传输过程中的光子量子比特损失。这些需求包含多个量子比特的网络节点，可以收集、存储和处理通过光子通道传递的信息。

金刚石纳米光子结构中的颜色中心由于其长相干时间、高保真单量子比特门、高效的量子比特-光子接口和高的实验重复率，最近成为实现此类节点的主要候选材料。通过使用基于氮空位（NV）中心和附近核自旋的多量子比特寄存器，量子网络已经迈出了重要的一步，但光子的低耦合效率使得可扩展性具有挑战性。光腔中的捕获离子和中性原子可以实现与光子的高效耦合，但量子中继器的可扩展实现需要访问辅助存储器量子比特，以执行纠缠交换、纯化和错误检测，迄今为止一直是在单个设置中难以实现的。

二、【成果掠影】

近日，美国哈佛大学M. D. Lukin教授团队报道了报道了基于金刚石纳米光子腔中硅空穴中心（SiV）的集成双量子比特网络节点的实现。量子比特寄存器包括作为通信量子比特的SiV电子自旋和作为记忆量子比特的强耦合硅-29核自旋，其量子记忆时间超过2秒。通过使用高度应变的SiV，研究人员在高达1.5开尔文的温度下实现了电子-光子纠缠门，在高达4.3开尔文下实现了核-光子纠缠门。研究人员还通过使用电子自旋作为标志量子比特，证明了核自旋-光子门中的高效错误检测，使该平台成为可扩展量子中继器的有希望的候选者。相关研究成果以题为“Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection”发表在知名期刊Science上。

三、【图文导读】

图一、基于²⁹SiV的量子网络节点 © 2022 AAAS

图二、基于²⁹Si核自旋的长寿命量子存储器 © 2022 AAAS

图三、高温下的自旋光子纠缠 © 2022 AAAS

图四、具有集成误差检测的自旋光子纠缠 © 2022 AAAS

四、【前景展望】

本研究为实现量子网络和探索其应用开辟了若干新途径。通过将光子从不同通信方到达存储节点的时间窗口扩展到用于异步贝尔测量的存储节点，对附加存储器量子比特的访问直接实现了改进的存储器增强量子密钥分配，而相位读出协议便于在信息存储在核上时在纠缠尝试之间进行电子重置。核存储器还可以扩展SiV作为单个光子源的能力，以创建光子簇状态。这里演示的方法还可以部署可扩展的基于SiV的量子中继器网络。除了实现多节点量子网络协议，这些系统还可以生成复杂光子树簇态，从而实现稳健的单向远程量子通信。

文献链接：Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection (Science 2022, 378, 557-560)