NJP编辑优选:基于量子行走的光量子路由器
文章介绍
通讯作者:
- 薛鹏,北京计算科学研究中心
研究背景:
在量子信息处理中,量子计算和量子通信展现出巨大的优势,而构建量子网络,实现多节点量子计算及量子通信更是备受关注。在量子网络的构建中,通过量子路由,实现多节点间的相干连接尤为关键。但不同于经典的路由器,量子路由器的实现具有极高的挑战性。这不仅是因为量子态的脆弱性导致确定性的量子路由方案不易实现,还由于在不破坏量子态的前提下,可控的传输量子态到多个位置的相干叠加尤为困难。而在量子行走中,存在多个可控自由度,行走者携带硬币态可从某一位置出发传输到多个位置的相干叠加。基于这一优势,本文旨在利用量子行走,探索一种可控、可扩展的确定性量子路由器的实现方案,并实验证明其路由的高度可控性和高效性。
研究内容:
量子路由器需要满足五个标准:(1)量子态可从一端输入,从任意位置输出;(2)输入和输出的量子态需保持一致;(3)输出端,量子态可存在于多个不同位置的相干叠加;(4)不存在后选择过程;(5)耗费资源越少,路由器越好。针对这五个标准,本文基于离散时间量子行走,提出一种通用量子路由器实现方案。不同于以往量子路由方案中采用控制量子比特,该方案将传输位置控制信息编码到硬币抛掷操作,行走者携带硬币态可确定性的从单一位置出发,可控的传输到多个不同位置的相干叠加。该方案不仅可以传输单量子比特态,还可以应用于实现多量子比特纠缠态的传输;且在传输过程中,满足上述五项标准,实现通用量子路由器。在此基础上,利用线性光学系统,该工作搭建了迄今为止最高效的光量子路由器。通过编码待传输纠缠态于双光子偏振态,设计量子行走实验实现装置,确定性的实现了传输量子纠缠态到二十五个位置的相干叠加。实验还通过控制硬币抛掷,实现了按需纠缠态的相干传输,通过量子态层析及量子过程层析技术,证明了传输前后量子态的不变性。该方案不仅能够应用于线性光学系统,也可应用于其他诸如超导量子线路、光波导及离子阱等系统,为实现量子网络提供有效工具。
作者介绍
薛鹏 教授
北京计算科学研究中心
- 薛鹏,北京计算科学研究中心教授。在国际顶级学术期刊包括:Nature Physics, Physical Review Letters, Nature Communications等以第一/通信作者发表学术论文130余篇。入选江苏省六大人才高峰(2016),江苏省杰出青年基金(2016),国家杰出青年科学基金(2020)。获得2021年度王大珩光学奖中青年科技人员奖,2022年度中国光学学会光学科技奖一等奖(第一完成人)。
期刊介绍
- 2021年影响因子:3.716 Citescore:6.7
- New Journal of Physics(NJP)是IOP和德国物理学会共同出版,是第一本发表物理学各领域原创性研究成果的开放获取期刊。NJP是发表优秀科学论文的领军刊物,吸引了全球物理学界的关注和兴趣,内容范围包括:量子物理(包括量子信息);原子和分子物理;光学、光子学和器件物理;凝聚态;纳米科学;软物质和聚合物;化学物理学;统计力学、热力学和非线性系统;流体动力学;等离子体;核和粒子物理学;宇宙学和天体物理学;生物和医学物理学;地球科学和地球物理学等。