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中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團隊在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權(quán)、柳必恒等基于多模式固態(tài)量子存儲和量子門隱形傳送協(xié)議在合肥市區(qū)實現(xiàn)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,相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
分布式量子計算是解決量子計算可擴展性難題的可行路徑。它通過非局域量子門連接獨立的量子計算節(jié)點,從而整合量子網(wǎng)絡(luò)中的算力資源來提升量子計算規(guī)模。然而,非局域量子門目前僅在數(shù)十米的尺度下實現(xiàn)實驗演示,無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡(luò)中整合算力資源的需求。
該工作基于量子門隱形傳送協(xié)議來建立兩個量子節(jié)點之間的非局域量子門。兩個量子節(jié)點之間的直線距離為7公里,分別位于中國科大東校區(qū)和合肥市大蜀山東側(cè)。該研究在兩節(jié)點間使用通信波段光子和專線光纜進行量子糾纏態(tài)的遠程分發(fā)。進而,中國科大節(jié)點和大蜀山節(jié)點分別執(zhí)行本地的兩比特量子門操作。中國科大節(jié)點采用摻銪硅酸釔晶體實現(xiàn)糾纏光子的存儲,直到接收到大蜀山節(jié)點的測量結(jié)果,并根據(jù)這一結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的單比特門操作。
實驗結(jié)果表明,中國科大節(jié)點的光子與大蜀山節(jié)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(tài)量子存儲器的糾纏存儲時間達到80.3μs,比前人工作提升近2倍,且糾纏存儲的時間模式數(shù)達1097個,使得非局域量子門的生成速率獲得了線性提升?;诜蔷钟蛄孔娱T,科研人員進而在這兩個遠程節(jié)點間演示了兩比特的Deutsch-Jozsa算法以及量子相位估計算法,實現(xiàn)了量子算法的遠程分布式執(zhí)行。
該工作首次在城市距離上實現(xiàn)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(gòu)建分布式量子計算網(wǎng)絡(luò)的可行性,為規(guī)?;孔佑嬎愕膶崿F(xiàn)提供了新思路。審稿人對這一成果給予高度評價。
研究工作得到科技創(chuàng)新2030重大項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目以及安徽省的資助。
跨越7公里的非局域量子門。(a)量子節(jié)點分布地圖和實驗裝置圖;(b)量子門隱形傳送的邏輯線路圖
分布式量子計算算法的演示。(a-e)Deutsch-Jozsa算法的邏輯線路圖和實驗結(jié)果;(f-j)量子相位估計算法的邏輯線路圖和實驗結(jié)果
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