摘要：研究人员使用稀土离子来实现量子网络中单个内存量子位之间的纠缠多路复用的首次演示。...

加州理工学院的工程师为未来的量子通信系统奠定了基础，已经证明了两个节点的量子网络的成功操作，每个网络都包含多个量子位或量子位 - 量子计算机的基本信息存储块。

为了实现这一目标，研究人员开发了一种新的协议，用于以并行方式分发量子信息，从而有效地创建了多个发送数据或多路复用的渠道。这项工作是通过将ytterbium原子嵌入晶体内的，并将其耦合到光腔 - 捕获和引导光的纳米级结构。该平台具有独特的属性，使其非常适合使用多个量子器并联传输量子信息携带光子。

加州理工学院的威廉·L·瓦伦丁（William L. Valentine）应用物理学和电气工程教授安德烈·法拉恩（Andrei Faraon）说：“这是在单个旋转量子量量子网络中的纠缠多路复用的首次演示。” “这种方法大大提高了节点之间的量子通信速率，代表了该领域的主要飞跃。”

这项工作在2月26日在《杂志》上发表的论文中描述自然。该论文的主要作者是安德烈·鲁斯库克（Andrei Ruskuc）（博士学位'24），他现在是哈佛大学博士后研究员，以及加州理工学院的研究生Chun-Ju Wu，他在Faraon的实验室完成了这项工作。

就像互联网连接我们习惯于使用的古典计算机一样，未来的量子网络将连接在不同物理位置中存在的量子计算机。

在与量子领域合作时，研究人员正在处理单个原子和光子（基本光的基本颗粒）的微小规模。在这个规模上，物质不会根据古典物理学的行为；相反，量子力学正在发挥作用。

量子力学中最重要，最奇怪的概念之一是纠缠，其中两个或多个物体（例如原子或光子）与物理分离无关。这种连接是如此的基本，以至于一个粒子在不参考另一个粒子的情况下无法充分描述。结果，测量一个量子状态还提供了有关另一个量的信息，这是量子通信的关键。

在量子通信中，目标是将纠缠原子用作量子位以共享或传送量子信息。到目前为止，沟通率有限的主要挑战是准备量子位和传输光子所需的时间。

Ruskuc说：“纠缠多路复用通过每个处理器或节点使用多个Quint。通过准备量子和传输光子，可以将纠缠率与量子数的数量缩放，” Ruskuc说。

在新系统中，这两个节点是由Yttrium Orthovanadate晶体制成的纳米制造结构（YVO4）。激光器用于激发这些晶体内的稀土金属Ytterbium原子（Yb3+），导致每个原子散发出与之纠缠的光子。来自两个独立节点的原子的光子然后进入检测到的中心位置。该检测过程触发了一种量子处理方案，该方案导致在ytterbium原子对之间产生纠缠状态。

每个节点在YVO4晶体中都有许多Ytterbium原子，因此有很多可用的量子。但是，这些原子中的每个原子的光频率略有不同，这是由于晶体内部缺陷引起的。

鲁斯库克说：“这就像一把双刃剑。”一方面，不同的频率使研究人员可以对其激光微调特定原子。另一方面，科学家以前认为，光子频率的相应差异将使无法产生纠缠量子状态。

Ruskuc说：“这就是我们的协议的来源。这是一种创新的方法，即使它们的光学过渡不同，也会产生纠缠的原子状态。” Ruskuc说。

在新协议中，一旦在中心位置检测到光子后，原子将实时进行一种定制的量子处理。研究人员称这种处理为“量子馈送前馈控制”。

Ruskuc解释说：“基本上，我们的协议获取了从光子到达时间收到的此信息，并应用了量子电路：一系列针对两个量子位量身定制的逻辑门。在我们应用了该电路后，我们将保持纠缠状态。” Ruskuc解释说。

该团队的YVO4平台可以容纳许多量子位 - 在这项工作中，每个节点包含约20个。

Faraon说：“稀土离子的独特性能与我们所展示的协议为每个节点数百个Qubits的网络铺平了道路。” “我们相信这项工作为基于稀土离子的高性能量子通信系统奠定了强大的基础。”