按下一个按钮，两个固态量子位之间的量子传输

第一次，超导量子位的量子态通过同轴电缆转移到另一个量子位。（图像：苏黎世联邦理工学院/ M。Pechal，T.Walter和P.Kurpiers）

在新的量子信息技术中，必须在远距离的量子位之间传递易碎的量子态。ETH的研究人员现在只需按一下按钮，就可以实现两个固态量子位之间的这种量子传输。

无论大小，数据传输都是现代信息社会的骨干。在Internet上，世界各地的计算机之间通常使用光纤电缆交换数据。另一方面，在计算机内部，信息​​必须在不同的处理器之间来回穿梭。对于当前正在开发的新量子信息技术而言，可靠的数据交换也非常重要-但同时这也非常困难。在苏黎世联邦理工学院，由固态物理实验室的安德烈亚斯·沃拉夫（Andreas Wallraff）领导的一组物理学家现在已经成功地通过按按钮并以高保真度在两个相距约一米的量子位之间传输了量子信息。他们的结果发表在本周的科学杂志《自然》上。

飞行量子位

量子信息技术（例如量子计算机和量子密码术）的主要特点是使用量子位或量«子»位作为信息的基本单位。与经典位不同，量子位不仅可以具有0或1的值，而且还可以具有所谓的叠加状态。一方面，这导致可以构建功能强大的计算机，这些计算机利用这些叠加状态比传统计算机更高效，更快速地执行计算。另一方面，那些状态也非常敏感，不能简单地使用常规技术进行传输。问题在于，静态量子位的状态必须首先转换为所谓的“飞行​​”量子位（例如光子），然后再转换为另一个静态量子位。几年前，研究人员能够以这种方式传输原子的量子态。沃拉夫和他的同事们现在已经成功地实现了从一个超导固态量子比特到相隔一段距离的另一个超量子量子的传输。

为此，物理学家使用同轴电缆连接了两个超导量子位，该同轴电缆也用于连接天线端子。由包含在其中的超导电子对（也称为库珀对）的数量定义的第一量子位的量子态，首先使用非常精确地控制的微波脉冲转移到谐振器的微波光子中。然后，光子可以从那个谐振器通过同轴电缆飞到第二个谐振器，在第二个谐振器中，微波脉冲再次将其量子态转移到第二个量子位上。最近在耶鲁大学进行了类似的实验。

确定性而非概率

沃勒夫实验室的博士生菲利普·库皮尔斯（Philipp Kurpiers）强调说：“我们方法的重点在于，量子态的传输是确定性的，这意味着只要按一下按钮，量子态就可以工作。”在一些较早的实验中，已经可以实现量子态的转移，但是这种传输是概率性的：有时可以起作用，但是大多数时候却不起作用。成功的传输可以例如通过“先驱光子”发出信号。每当传输失败时，只需再次尝试即可。这样，有效的量子传输速率当然会大大降低。因此，对于实际应用而言，确定性方法（例如现在在ETH展示的方法）显然是有利的。

“我们对量子态的传输速率是有史以来最高的，而在协议的第一个实现中，我们的传输保真度达到80％很好”，Andreas Wallraff说。利用他们的技术，研究人员还能够在量子位之间创建每秒高达50,000次的量子机械纠缠。传输过程本身花费的时间不到百万分之一秒，这意味着传输速率还有很大的提高空间。量子机械纠缠即使在很长的距离上也可以在两个量子对象之间建立紧密的联系，这一特征用于加密或量子隐形传态。

量子计算机的量子转移

下一步，研究人员希望尝试使用两个量子位分别作为发送器和接收器，这使得在量子位对之间进行纠缠交换成为可能。这样的过程对于应该在未来几年内建成的大型量子计算机很有用。到目前为止，它们仅由少数几个量子位组成，但是当试图构建更大的计算机时，已经有数百个量子位了，人们将不得不担心如何最有效地连接它们，以便利用量子计算机在量子计算中的优势。最好的方法。

就像今天使用的单计算机集群一样，然后可以使用Wallraff的技术将量子计算机模块连接在一起。当前大约一米的传输距离肯定可以增加。Wallraff和他的同事们最近证明，极冷的超导电缆可以在几十米的距离内传输光子，而损耗却很小。因此，将量子计算中心连接在一起似乎是非常可行的。

出版：库尔皮尔斯P，马格纳德P，沃尔特T，罗伊尔B，佩查尔M，Heinsoo J，萨拉特Y，阿金A，斯托斯S，贝西JC，加斯帕里内蒂S，布莱斯B，沃勒夫A.使用微波的确定性量子态转移和远程纠缠光子。自然，卷558，第264–267页（2018），doi：10.1038 / s41586-018-0195-y