來自美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）、斯坦福國際研究院（SRI International）、高性能激光芯片制造商 Freedom Photonics 和普渡大學(xué)（Purdue University）的一支研究團(tuán)隊(duì)，剛剛通過設(shè)計(jì)并展示首個(gè)用于 frequency bin coding 頻率窗口編碼的貝爾態(tài)分析儀，向著全量子互聯(lián)網(wǎng)的愿景邁出了一大步。

　　Joseph Lukens 在 ORNL 光學(xué)實(shí)驗(yàn)室

　　SCI Tech Daily指出：在通過量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息之前，必須先將其編碼為量子態(tài)。這些信息被包含在糾纏的量子比特中，意味著它們處于一種無法相互獨(dú)立描述的狀態(tài)。

　　當(dāng)處于“貝爾態(tài)”（Bell States）時(shí)，兩個(gè)量子比特之間的糾纏也被認(rèn)為是最大化的。對(duì)于執(zhí)行量子通信、和在量子網(wǎng)絡(luò)中部署的諸多協(xié)議來說，測(cè)量這種狀態(tài)的能力也都是至關(guān)重要的。

　　此前多年，已有許多研究團(tuán)隊(duì)開展過此類測(cè)量。不過在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們還是首次開發(fā)出了專門用于頻率窗口編碼的貝爾態(tài)分析儀 —— 作為一種量子通信方法，其能夠同時(shí)駐留在兩個(gè)不同頻率中的單個(gè)光子。

　　研究配圖 - 1：傳統(tǒng) BSA / 頻率混合解決方案對(duì)比

　　ORNL 科學(xué)家、Wigner 研究員兼團(tuán)隊(duì)成員的 Joseph Lukens 表示：“貝爾態(tài)檢測(cè)是量子通信的一個(gè)基礎(chǔ)，想要實(shí)現(xiàn)隱態(tài)傳態(tài)（teleportation）和糾纏交換之類的事務(wù)，你就需要用到一臺(tái)貝爾態(tài)分析儀”。

　　所謂隱形傳態(tài)，特指跨越物理上相隔很長(zhǎng)的一段距離、將信息從一處傳遞到另一處。而糾纏交換，又指將先前未糾纏的量子比特配對(duì)的能力。

　　設(shè)想一下，你有兩臺(tái)通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接的量子計(jì)算機(jī)。由于空間上的分隔，它們無法單獨(dú)互動(dòng)。

　　但假設(shè)它們每個(gè)都可在局部與單個(gè)光子糾纏在一起，通過將這兩個(gè)光子沿著光纖發(fā)送。

　　然后在它們相遇的地方對(duì)其進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，最終就可量?jī)膳_(tái)遙遠(yuǎn)的量子計(jì)算機(jī)糾纏到一起 —— 即使兩者從未相互作用。

　　這里提到的糾纏交換，就是構(gòu)建復(fù)雜量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵能力。

　　研究配圖 - 2：頻率窗口 BSA 的最佳 QFP 設(shè)計(jì)

　　需要指出的是，盡管共有四種貝爾態(tài)，但在任何給定的時(shí)間里，分析儀都只能分辨兩種。當(dāng)然這并不是一件壞事，因?yàn)樗闵狭硗鈨煞N貝爾態(tài)的話，就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)變得極其復(fù)雜且非必要。

　　而新研究中的貝爾態(tài)分析儀，就選用了保真度高達(dá) 98% 的仿真設(shè)計(jì)。剩下的 2% 錯(cuò)誤率，則是測(cè)試光子在隨機(jī)準(zhǔn)備期間產(chǎn)生的不可避免的噪聲的結(jié)果、而不是分析儀本身導(dǎo)致。

　　這種令人難以置信的準(zhǔn)確性，使得頻率窗口所需的基本通信協(xié)議成為了可能，這也是 Joseph Lukens 先前研究的側(cè)重點(diǎn)。

　　2020 年秋天，他與普渡大學(xué)的同僚首次展示了如何根據(jù)需要去完全控制單個(gè)頻率窗口的量子比特，以通過量子網(wǎng)絡(luò)來傳輸信息。

　　研究配圖 - 3：頻率窗口 BSA 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　借助在 ORNL 開發(fā)的“量子頻率處理器”（quantum frequency processor）技術(shù)，研究人員展示了廣泛適用的量子門、用于執(zhí)行量子通信協(xié)議所需的邏輯操作。

　　在這些協(xié)議中，研究人員需要能夠以用戶定義的方式來操縱光子，通常是為了響應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其它地方的粒子進(jìn)行測(cè)量。

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)中使用的與 / 或門、僅涉及 0 / 1 的操作，但是量子門還涉及獨(dú)特的疊加態(tài)，以在量子信息流經(jīng)時(shí)使其受到保護(hù) —— 這也是實(shí)現(xiàn)真量子網(wǎng)絡(luò)的必要之舉。

　　雖然頻率編碼和糾纏早就出現(xiàn)在了許多系統(tǒng)中、并且與光纖應(yīng)用自然兼容，但利用這些現(xiàn)象來執(zhí)行數(shù)據(jù)處理操作，還是難以通過傳統(tǒng)方案來證明的。

　　不過隨著貝爾態(tài)分析儀的誕生，Joseph Lukens 及其同事正努力擴(kuò)展一套完整的糾纏交換實(shí)驗(yàn)，這也將是頻率編碼領(lǐng)域的一次首創(chuàng)。

　　最后，作為 ORNL 量子加速互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目的一部分，這項(xiàng)工作計(jì)劃最近還得到了美國能源部的支持。

　　有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的美國光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）《Optical》期刊上，原標(biāo)題為《Bell state analyzer for spectrally distinct photons》。