研究人员演示了远程超导节点之间的多光子状态转移

在过去的几十年里，量子物理学家和工程师一直在努力开发新的、可靠的量子通信系统。这些系统最终可以作为评估和推进通信协议的试验台

芝加哥大学的研究人员最近推出了一种新的具有远程超导节点的量子通信试验台，并在该试验台上演示了双向多光子通信。他们发表在《物理评论快报》上的论文可能为实现超导电路中复杂量子态的有效通信开辟一条新途径

该论文的合著者Andrew Cleland告诉Phys.org：“我们正在开发用于模块化量子计算的超导量子位，并将其作为量子通信试验台。两者都依赖于能够在量子位‘节点’之间相干地通信量子态，这些节点通过稀疏的通信网络（通常是一条物理传输线）相互连接。”

研究人员最近的研究建立在之前发表在《自然物理学》和《自然》上的两篇研究论文的基础上。在之前的这些工作中，该团队证明了它们可以产生远程纠缠并发送复杂的量子态，后者一次一个量子位

“在我们的新研究中，我们想尝试同时发送代表多个量子位的复杂量子态，”Cleland说。“为了做到这一点，我们加载了要发送到谐振器的量子态，然后将整个谐振器状态发送到传输线，用远程谐振器捕获它进行后续分析。”。因此，理论上它们能够存储对几个量子位的数据进行编码的非常复杂的状态。由于这些有利的特性，使用谐振器发送和接收数据可以增加可用带宽

在他们的实验中，Cleland和他的同事使用了两个超导量子位，每个量子位都连接到一个可调谐超导谐振器。这些谐振器中的每一个都通过一种称为可变耦合器的设备连接到一条2米长的传输线上

Cleland说：“我们使用一个超导量子位，使用多年前建立的方法，在不同的量子态下对其配套谐振器进行‘编程’。”

“然后，我们打开谐振器与传输线的耦合，将（可能复杂的）量子态从谐振器释放到传输线，在那里它以（可能复杂）的形式传输一组纠缠的移动光子。然后，这些被另一个谐振器使用释放过程的相反过程“捕获”，我们使用该谐振器的量子位来分析接收状态。该系统可以在任意一个方向上同样好地传输（因此是“双向”）。“

研究人员实施的设计使他们能够实现单个微波频率光子的双向传输，以及双光子Fock态|2>；在一个方向上的同时传输和单光子Fock状态|1>；在另一方向上的传输，以及叠加光子Fock状态|0>；的（单独）传输；+|1>；并且|0>+|2>

Cleland说：“然后，我们展示了所谓N00N态的产生，代表两个谐振器之间的纠缠，最终首先实现了纠缠态|10>；+|01>；的产生，其中一个光子在两个谐振器间‘共享’，然后是态|20>；+|02>；，其中两个光子以相同的方式‘共享’。”

“总的来说，我们的工作证明了一条可行的途径，可以实现更复杂的量子态的高效通信，而不仅仅是两个节点之间的单个光子。”

Cleland和他的同事推出的新量子通信试验台可能很快为进一步的工作和进步铺平道路。首先，它可以用于实现分布式计算，在分布式计算中，电路中的每个节点都进行计算，并将结果有效地传达给另一个节点。此外，它还可以用于演示两个节点共享一个复杂状态的系统，并且每个节点对该状态执行不同的操作

Cleland补充道：“我们的平台也可以用于量子通信，例如，在量子通信中，一些复杂的编码量子信息可以在一次传输中传输。”

“我们现在正在研究这个实验的许多不同方面；例如，我们计划增加节点的数量（在我们最近的实验中是两个），提高过程的保真度，并探索如果我们有更多的并行通信信道，可能会发生什么。”