我院郭光灿院士团队李传锋、周宗权、柳必恒等人基于固态量子存储实现跨越7公里的分布式光量子计算 [2024-10-06]

日前，我院郭光灿院士团队在量子网络领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权、柳必恒等人基于多模式固态量子存储和量子门隐形传送协议在合肥市区实现了跨越7公里的非局域量子门，并演示了分布式的Deutsch-Jozsa算法及量子相位估计算法。该成果10月2日发表在国际期刊《自然·通讯》上。

分布式量子计算是解决量子计算可扩展性难题的一条可行路径，它通过非局域量子门连接独立的量子计算节点，从而整合量子网络中的算力资源来实现量子计算规模的提升。然而，非局域量子门目前仅在数十米的尺度下实现实验演示，无法满足在大尺度量子网络中整合算力资源的需求。

在该工作中，研究团队基于量子门隐形传送协议来建立两个量子节点之间的非局域量子门。两个量子节点之间的直线距离为7公里，分别位于中国科学技术大学东校区（简称中国科大）和合肥市大蜀山东侧（简称大蜀山）。研究团队首先在两节点间使用通信波段光子和专线光缆进行了量子纠缠态的远程分发。随后，中国科大节点和大蜀山节点分别执行本地的两比特量子门操作。中国科大节点采用掺铕硅酸钇晶体实现纠缠光子的存储，直到接收到大蜀山节点的测量结果，并根据这一结果执行相应的单比特门操作。

实验结果表明，中国科大节点的光子与大蜀山节点的光子之间完成了两比特非局域量子门操作，其中受控非门的保真度达88.7%。固态量子存储器的纠缠存储时间达到80.3μs，相比前人工作提升近2倍，并且纠缠存储的时间模式数达1097个，使得非局域量子门的生成速率获得了线性的提升。基于非局域量子门，研究团队进一步在这两个远程节点间演示了两比特的Deutsch-Jozsa算法以及量子相位估计算法，成功实现了量子算法的远程分布式执行。

该工作首次在城市距离上实现分布式光量子计算的演示，展示了基于量子存储和通信光缆构建分布式量子计算网络的可行性，为规模化量子计算的实现提供了新思路。

审稿人对该工作给予高度评价：“This is an excellent work combining several very challenging technical elements (entangled pair generation, optical quantum memory, metropolitan quantum link) in a first of a kind demonstration（这是一项杰出的工作，它结合了几项非常具有挑战性的技术要素，包括纠缠光子对、光量子存储器、城域量子通信，实现了首创性的演示）”；“We believe that this study reports significant technical advances towards the realization of quantum networks in a way that it initiates a new experimental direction for distributed quantum information processing（我们认为该工作在实现量子网络方面取得了重要的进展，它开辟了一个新的实验方向去实现分布式量子信息处理）”。

中国科学院量子信息重点实验室特任副研究员刘肖、特任教授胡晓敏和博士后朱天翔为论文共同第一作者。该工作得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中国科学院青年创新促进会优秀会员的资助。专线光缆的铺设得到了中国联通安徽省分公司的支持。

图1：跨越7公里的非局域量子门。a.量子节点分布地图和实验装置图; b.量子门隐形传送的逻辑线路图

图2：分布式量子计算算法的演示。a-e.Deutsch-Jozsa算法的逻辑线路图和实验结果；f-j.量子相位估计算法的逻辑线路图和实验结果

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52912-3

（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）