量子互联网研究新进展：首台用于频率窗口编码的贝尔态分析仪诞生

Joseph Lukens 在 ORNL 光学实验室

SCI Tech Daily 指出：在通过量子网络发送信息之前，必须先将其编码为量子态。这些信息被包含在纠缠的量子比特中，意味着它们处于一种无法相互独立描述的状态。

当处于“贝尔态”（Bell States）时，两个量子比特之间的纠缠也被认为是最大化的。对于执行量子通信、和在量子网络中部署的诸多协议来说，测量这种状态的能力也都是至关重要的。

此前多年，已有许多研究团队开展过此类测量。不过在这项新研究中，科学家们还是首次开发出了专门用于频率窗口编码的贝尔态分析仪 —— 作为一种量子通信方法，其能够同时驻留在两个不同频率中的单个光子。

研究配图 - 1：传统 BSA / 频率混合解决方案对比

ORNL 科学家、Wigner 研究员兼团队成员的 Joseph Lukens 表示：“贝尔态检测是量子通信的一个基础，想要实现隐态传态（teleportation）和纠缠交换之类的事务，你就需要用到一台贝尔态分析仪”。

所谓隐形传态，特指跨越物理上相隔很长的一段距离、将信息从一处传递到另一处。而纠缠交换，又指将先前未纠缠的量子比特配对的能力。

设想一下，你有两台通过光纤网络连接的量子计算机。由于空间上的分隔，它们无法单独互动。

但假设它们每个都可在局部与单个光子纠缠在一起，通过将这两个光子沿着光纤发送。

然后在它们相遇的地方对其进行贝尔态测量，最终就可量两台遥远的量子计算机纠缠到一起 —— 即使两者从未相互作用。

这里提到的纠缠交换，就是构建复杂量子网络的关键能力。

研究配图 - 2：频率窗口 BSA 的最佳 QFP 设计

需要指出的是，尽管共有四种贝尔态，但在任何给定的时间里，分析仪都只能分辨两种。当然这并不是一件坏事，因为算上另外两种贝尔态的话，就会导致检测系统变得极其复杂且非必要。

而新研究中的贝尔态分析仪，就选用了保真度高达 98% 的仿真设计。剩下的 2% 错误率，则是测试光子在随机准备期间产生的不可避免的噪声的结果、而不是分析仪本身导致。

这种令人难以置信的准确性，使得频率窗口所需的基本通信协议成为了可能，这也是 Joseph Lukens 先前研究的侧重点。

2020 年秋天，他与普渡大学的同僚首次展示了如何根据需要去完全控制单个频率窗口的量子比特，以通过量子网络来传输信息。

研究配图 - 3：频率窗口 BSA 实验结果

借助在 ORNL 开发的“量子频率处理器”（quantum frequency processor）技术，研究人员展示了广泛适用的量子门、用于执行量子通信协议所需的逻辑操作。

在这些协议中，研究人员需要能够以用户定义的方式来操纵光子，通常是为了响应对网络中其它地方的粒子进行测量。

传统计算机和通信技术中使用的与 / 或门、仅涉及 0 / 1 的操作，但是量子门还涉及独特的叠加态，以在量子信息流经时使其受到保护 —— 这也是实现真量子网络的必要之举。

虽然频率编码和纠缠早就出现在了许多系统中、并且与光纤应用自然兼容，但利用这些现象来执行数据处理操作，还是难以通过传统方案来证明的。

不过随着贝尔态分析仪的诞生，Joseph Lukens 及其同事正努力扩展一套完整的纠缠交换实验，这也将是频率编码领域的一次首创。

最后，作为 ORNL 量子加速互联网测试平台项目的一部分，这项工作计划最近还得到了美国能源部的支持。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的美国光学学会（OSA）《Optical》期刊上，原标题为《Bell state analyzer for spectrally distinct photons》。

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