跨越7公里分布式光量子计算实现

科技日报合肥10月7日电 （记者吴长锋）7日，记者从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队基于多模式固态量子存储和量子门隐形传送协议，在合肥实现跨越7公里的非局域量子门，并演示了分布式的多伊奇—乔萨算法及量子相位估计算法。研究成果日前发表在国际期刊《自然·通讯》上。

量子计算是当前国际科研的重要领域。目前，传统的做法是在一台量子计算机上实现越来越多的量子比特。但随着量子比特的增加，信号串扰以及布线、制冷等方面的技术限制可能出现。因此，研制多台量子计算机，让它们远程互联合力实现分布式量子计算从而在远程形成“超级量子算力”，成为量子计算研究的新思路。

作为解决量子计算可扩展性难题的一条可行路径，分布式量子计算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。

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和合肥市大蜀山东侧。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，中国科学技术大学节点和大蜀山节点分别执行本地的两比特量子门操作。中国科学技术大学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，中国科学技术大学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80.3微秒，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多伊奇—乔萨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。

研究人员表示，这项研究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。

审稿人高度评价该成果，认为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，实现了首创性演示；它开辟了一个实现分布式量子信息处理的新实验方向。