哈佛大学研究团队通过将光镊中的单个原子耦合到光纤腔，实现了高保真量子态与具备检错机制的新型纠缠门。该研究演示了快速、无损读出和具有检错机制的腔介导纠缠生成，对于开发中性原子量子计算平台的原子-光子接口非常重要，使得通过光纤在远距离的量子计算模块间传输量子信息成为可能，是构建可靠和大规模量子计算网络的关键一步。相关成果于3月20日发表在《科学》杂志上。
量子计算的核心操作是量子纠缠门，然而噪声的存在需要量子纠错来降低门操作的错误率，导致需要使用多个物理量子比特来编码一个逻辑量子比特。未来实用化的量子计算机需要数千个逻辑量子比特，而单个模块上可配置的物理量子比特数量受限于封装单元的容量。为了容纳数以百万计的物理量子比特，需要将量子计算机分成多个模块，并找到可靠的能传输量子信息的量子信道来连接它们。
中性原子在量子计算竞赛中起步相对较晚，但发展迅速，其量子比特无需制造，而是通过光镊来捕获并移动原子。通常，中性原子的高保真量子门可以利用电子里德堡激发在几微米的距离内实现。为了演示连接多个模块之间的原子-光子接口，在该研究中没有激发里德堡态，而是通过将中性原子与法布里-珀罗光纤腔组成的量子信道耦合，在光学捕获的中性原子之间创建了高质量纠缠门，并且大幅度提升了量子态的读取速度。
实验装置和原子能级示意图
该方法实现了两种新型的纠缠门，可作用在腔中相距较远的量子比特。第一种纠缠门主要利用了腔与原子的弱耦合，将特定量子态从原波函数中剔除，以创建贝尔态。研究人员通过构造两原子和腔不同的耦合，使得只有处于|10⟩态的两个原子会与光子暗态共振耦合。这种态依赖的耦合会导致不同两原子态衰变至错误态的速率不同，因此，可以将两原子波函数的特定态有选择地去除掉。再通过翻转门等操作，最终形成贝尔态和错误态的一个混态。最后通过后选择，丢弃处于错误态的原子，最终以32%的成功率生成了保真度超过91%的贝尔态。
贝尔态制备示意图
第二种纠缠门利用量子比特与腔场态依赖的共振，在同一模块内的两个远距离原子之间实现了一个确定性纠缠门，其保真度约为75%。尽管其保真度仍有进步空间，但它展示了新机制的可行性。
同时，研究团队提出了一种在计算过程中检测错误的新方法，在1到10微秒的时间尺度内实现了快速且高保真的量子比特测量和读出，这比之前方法所需的毫秒尺度有了显著的提升。
这些新功能为解决中性原子量子计算机的主要瓶颈提供了可能方案，并使其运行速度接近超导量子比特等其他物理体系的水平。未来如能在架构中集成光纤腔量子信道，为每个模块都配备独立的光学接口和真空腔体，将使得跨越宏观距离的量子比特纠缠以及多体纠缠门成为可能。该研究使中性原子量子计算机在实现高保真、大规模分布式量子处理器方面迈进了关键的一步，对推动可靠的大规模量子计算网络构建具有重要意义。
法布里-珀罗光纤腔示意图
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr7075
报道链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2572