來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室（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（Purdue University）的一支研究團隊，剛剛通過設計并展示首個用于 frequency bin coding 頻率窗口編碼的貝爾態(tài)分析儀，向著全量子互聯網的愿景邁出了一大步。

　　Joseph Lukens 在 ORNL 光學實驗室

　　SCI Tech Daily指出：在通過量子網絡發(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立描述的狀態(tài)。

　　當處于“貝爾態(tài)”（Bell States）時，兩個量子比特之間的糾纏也被認為是最大化的。對于執(zhí)行量子通信、和在量子網絡中部署的諸多協議來說，測量這種狀態(tài)的能力也都是至關重要的。

　　此前多年，已有許多研究團隊開展過此類測量。不過在這項新研究中，科學家們還是首次開發(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，其能夠同時駐留在兩個不同頻率中的單個光子。

　　研究配圖 - 1：傳統 BSA / 頻率混合解決方案對比

　　ORNL 科學家、Wigner 研究員兼團隊成員的 Joseph Lukens 表示：“貝爾態(tài)檢測是量子通信的一個基礎，想要實現隱態(tài)傳態(tài)（teleportation）和糾纏交換之類的事務，你就需要用到一臺貝爾態(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的能力。

　　設想一下，你有兩臺通過光纖網絡連接的量子計算機。由于空間上的分隔，它們無法單獨互動。

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

　　然后在它們相遇的地方對其進行貝爾態(tài)測量，最終就可量兩臺遙遠的量子計算機糾纏到一起 —— 即使兩者從未相互作用。

　　這里提到的糾纏交換，就是構建復雜量子網絡的關鍵能力。

　　研究配圖 - 2：頻率窗口 BSA 的最佳 QFP 設計

　　需要指出的是，盡管共有四種貝爾態(tài)，但在任何給定的時間里，分析儀都只能分辨兩種。當然這并不是一件壞事，因為算上另外兩種貝爾態(tài)的話，就會導致檢測系統變得極其復雜且非必要。

　　而新研究中的貝爾態(tài)分析儀，就選用了保真度高達 98% 的仿真設計。剩下的 2% 錯誤率，則是測試光子在隨機準備期間產生的不可避免的噪聲的結果、而不是分析儀本身導致。

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

　　2020 年秋天，他與普渡大學的同僚首次展示了如何根據需要去完全控制單個頻率窗口的量子比特，以通過量子網絡來傳輸信息。

　　研究配圖 - 3：頻率窗口 BSA 實驗結果

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

　　在這些協議中，研究人員需要能夠以用戶定義的方式來操縱光子，通常是為了響應對網絡中其它地方的粒子進行測量。

　　傳統計算機和通信技術中使用的與 / 或門、僅涉及 0 / 1 的操作，但是量子門還涉及獨特的疊加態(tài)，以在量子信息流經時使其受到保護 —— 這也是實現真量子網絡的必要之舉。

　　雖然頻率編碼和糾纏早就出現在了許多系統中、并且與光纖應用自然兼容，但利用這些現象來執(zhí)行數據處理操作，還是難以通過傳統方案來證明的。

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

　　最后，作為 ORNL 量子加速互聯網測試平臺項目的一部分，這項工作計劃最近還得到了美國能源部的支持。

　　有關這項研究的詳情，已經發(fā)表在近日出版的美國光學學會（OSA）《Optical》期刊上，原標題為《Bell state analyzer for spectrally distinct photons》。