奥地利研究所用"量子浴"实现全自动量子纠缠

未来的量子计算机可能需要通过分布式纠缠连接相隔遥远的模块。然而迄今为止，构建这类连接通常需要主动控制和反复测量。奥地利科学技术研究所（ISTA）的物理学家们现已展示出一种完全自主的替代方案，该方案基于由关联光粒子构成的"量子浴"。

这项实验成果发表于《物理评论X》，首次在实验层面验证了一个提出逾20年的理论预测，有望为实用量子技术提供全新基础。

连接远距离量子比特

纠缠是量子物理的核心现象之一，它使粒子或系统之间能够共享无法用经典物理解释的关联。在物理上相互分离的量子比特之间建立分布式纠缠，对于构建更大规模的量子计算机和未来量子网络具有重要意义。

以往使远距离量子比特发生纠缠的方法主要有两种：一种是将单个受主动控制的光子从一个量子比特发送至另一个；另一种是让每个量子比特各自发射一个光子，再将两个光子进行匹配以产生纠缠。

后一种方法获得了2022年诺贝尔物理学奖的认可，但其过程仍依赖反复测量和后选择，且并非每次都能成功产生纠缠。

ISTA的博士生亚历杭德罗·安德烈斯-胡安内斯与教授约翰内斯·芬克携手国际合作团队，开发出了一种不同的解决方案。他们的系统采用一个量子浴，能自动使远距离的量子比特实现同步。在原型装置中，研究人员利用一个共享的关联光粒子源，将两个分离的量子比特纠缠在一起，从而在实验上实现了这一沉寂逾二十年的理论构想。

全自主量子纠缠

量子纠缠可以呈现多种形式。连续变量纠缠态的制备效率较高，因而相对容易获取，可类比为一个摆锤——其位置和动量连续变化。

然而，许多有价值的量子技术依赖"离散变量"系统，这类系统涉及静态量子比特可使用的"全有或全无"形式的纠缠。ISTA团队面临的挑战在于：如何将这种易于获取的连续形式纠缠，与实际应用所需的离散形式纠缠衔接起来。

"在这项工作中，我们致力于弥合易于获取的纠缠形式与实际有用的纠缠形式之间的鸿沟，"安德烈斯-胡安内斯表示，"通过远程稳定纠缠态，我们的方法完全自主，无需任何主动控制或测量。"

由关联光驱动的量子浴

维持纠缠和量子相干性是量子计算面临的主要难题之一。

研究人员的解决思路是：让量子比特所处的环境本身承担产生和稳定纠缠的责任。

"在我们的方法中，量子浴——即量子比特所处的环境——就是纠缠的来源。它通过持续不断的关联光子流，构建出一种新的基态，"芬克说，"这样一来，即便超出量子比特自身的'生命周期'，纠缠的量子比特状态依然能够保持稳定，并始终作为资源供后续量子处理使用。这使该方法具有重要的概念意义。"

由于纠缠态持续可用，研究人员可以在需要时随时访问，这与临时纠缠形成对比——后者必须在短暂存在的时间窗口内使用。

微波光子保持量子比特连接

为将量子比特与纠缠光子源耦合，研究人员采用了微波光子。这种低能光粒子在操控量子信息方面尤为有效，目前已是超导量子比特主流技术的核心组件。

光学光子则扮演不同角色，常见于光学和原子物理领域。光学光子未来或将在通过光纤在远距量子计算机之间传递量子信息方面发挥重要作用——这也是ISTA芬克课题组正在探索的研究方向之一。

探测隐藏的量子态

研究人员需要确认两个量子比特是否真正在量子浴中实现了同步。为此，他们采用了量子层析技术——通过从多个不同"切面"检测量子系统的行为来重建其状态。

"量子比特可以处于叠加态，但所有这些状态一旦被测量就会坍缩，最终只剩0或1，"安德烈斯-胡安内斯说。

量子层析技术使研究人员得以进行仅持续20至80纳秒的测量，并利用这些观测结果来探究量子比特的底层状态。一纳秒等于十亿分之一秒。

一个沉寂20年的预测走进实验室

通过量子浴成功使两个孤立量子比特发生纠缠，ISTA研究人员为这一长期悬而未决的理论构想创建了概念验证实验室原型。

"我们提出了一种相对简单的方法，可以扩展至同步多个远距量子比特，"安德烈斯-胡安内斯说。

这一新方法前景可期，但目前在效率上尚不及主动控制量子比特状态的方法。"我们的方法目前仅能转化量子浴中约10%的可用纠缠。"

研究人员认为，该构想耗时逾二十年才得以实验验证，原因之一在于原始理论是在理想化条件下建立的，而这些条件在实验中难以复现。

"我们的实验帮助揭示了若干因素，这些因素可能正是科学家们难以利用单一关联光子源设计出可用于分布式纠缠的量子浴的原因，"芬克说。

ISTA开发的这一原型有望为量子光学实验开辟新机遇，也可能为扩展量子处理器并最终推动其向容错运行迈进贡献力量。

Q&A

Q1：量子浴是什么？它在量子纠缠中起什么作用？

A：量子浴是指量子比特所处的环境，由关联光粒子（光子）持续流组成。在ISTA的研究中，量子浴本身就是纠缠的来源，通过不断供给关联光子，使两个远距离的量子比特自动保持纠缠状态，无需主动控制或测量。与传统临时纠缠不同，这种方式使纠缠态持续可用，即便超出量子比特自身的"生命周期"也能维持。

Q2：量子层析技术在这项实验中如何验证量子比特的纠缠状态？

A：量子层析是一种通过从多个不同"切面"检测量子系统行为来重建其状态的技术。由于量子比特测量后会坍缩为0或1，无法直接观察叠加态，研究人员借助量子层析进行仅持续20至80纳秒的极短测量，通过大量观测数据综合分析，推断出量子比特在量子浴中是否真正实现了同步与纠缠。

Q3：这项量子浴方法目前有哪些局限性，未来如何改进？

A：目前该方法的主要局限在于效率较低，只能转化量子浴中约10%的可用纠缠，与主动控制量子比特的方法相比仍有差距。研究人员认为，原始理论基于理想化条件，实验中难以完全复现，这也是该构想沉寂逾二十年的原因之一。未来的改进方向包括提升纠缠转化效率、扩展至多个远距量子比特的同步，以及向容错量子计算迈进。