美国国家实验室的约瑟夫·卢肯斯在光学实验室进行实验。图片来源:Jason Richards/ORNL，美国能源部
科学家们对量子力学的日益掌握预示着一个创新的新时代。利用自然界最细微尺度的力量的技术在整个科学领域显示出巨大的潜力，从比当今领先系统强大指数级的计算机，到能够探测难以捉摸的暗物质的传感器，再到几乎无法破解的量子互联网。
美国能源部橡树岭国家实验室、自由光子学和普渡大学的研究人员通过设计和演示有史以来第一个用于频率仓编码的贝尔态分析仪，向全量子互联网迈出了大步。
他们的研究结果发表在《光学》杂志上。
在信息能够通过量子网络发送之前，它必须首先被编码到量子态。这些信息包含在量子位中，或用于存储信息的经典计算“比特”的量子版本中，它们会纠缠在一起，这意味着它们处于一种不能彼此独立描述的状态。
当两个量子比特处于“贝尔状态”时，量子比特之间的纠缠被认为是最大化的。
测量这些贝尔态对于执行在量子网络中执行量子通信和分配纠缠所必需的许多协议是至关重要的。虽然这些测量已经进行了多年，但该团队的方法代表了第一个专门为频率bin编码开发的贝尔态分析仪，这是一种同时利用两个不同频率的单个光子的量子通信方法。
“测量这些贝尔态是量子通信的基础，”ORNL研究科学家、维格纳研究员和团队成员约瑟夫·卢肯斯(Joseph Lukens)说。“为了实现瞬间移动和纠缠交换等功能，你需要一个贝尔状态分析仪。”
隐形传态是指将信息从一方发送到另一方的行为，而纠缠交换是指纠缠之前未纠缠的量子比特对的能力。
“想象一下，你有两台量子计算机通过光纤网络连接在一起，”卢肯斯说。“由于它们的空间分离，它们无法彼此互动。
“然而，假设它们每个都能局域地与单个光子纠缠。通过将这两个光子通过光纤传输，然后在它们相遇的地方对它们进行贝尔态测量，最终的结果将是两个遥远的量子计算机现在纠缠在一起——尽管它们从未相互作用。这种所谓的纠缠交换是构建复杂量子网络的关键能力。”
虽然总共有四种贝尔状态，但在任何给定的时间，分析仪只能区分两种。但这是可以的，因为测量其他两个状态将需要增加到目前为止没有必要的巨大复杂性。
该分析仪经过仿真设计，保真度达到98%;卢肯斯说，剩下的2%的错误率是测试光子随机准备过程中不可避免的噪音造成的，而不是分析仪本身造成的。这种令人难以置信的准确性使频率箱所需的基本通信协议成为可能，这是Lukens之前的研究重点。
在2020年秋天，Lukens和普渡大学的同事们首次展示了如何根据需要完全控制单个频率bin量子比特，以便在量子网络中传输信息。
利用ORNL开发的一种被称为量子频率处理器的技术，研究人员展示了广泛适用的量子门，或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一种自定义的方式操纵光子，通常是响应网络中其他地方粒子的测量结果。
传统计算机和通信技术中使用的传统运算，如and /OR，分别对数字0和1进行运算，而量子门则同时对0和1进行叠加运算，使量子信息在通过时得到保护，这是实现真正的量子网络所必需的现象。
虽然频率编码和纠缠出现在许多系统中，并且自然地与光纤相兼容，但使用这些现象来执行数据操作和处理操作传统上被证明是困难的。
随着贝尔态分析仪的完成，Lukens和他的同事们正在寻求扩展到一个完整的纠缠交换实验，这将是频率编码领域的第一个同类实验。这项工作计划作为ORNL量子加速互联网测试平台项目的一部分，该项目最近获得了美国能源部的批准。
这项工作部分是由美国能源部的科学办公室通过早期职业研究计划资助的。
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