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为解决量子处理节点间光子互连的瓶颈问题，杜克大学研究人员开展了利用时频光子介导远程囚禁原子量子比特存储器间高保真纠缠的研究。结果实现了 97% 的纠缠保真度，证明基本极限下保真度超 99.9%。这为量子计算和通信发展提供重要支持。
在量子科技飞速发展的当下，大规模量子计算机和网络的构建成为科学界竞相追逐的目标。而量子处理节点之间的光子互连，被视为实现这一宏伟目标的关键路径。然而，目前该架构面临着严峻的挑战，其中，性能瓶颈就在于如何让彼此隔离的量子存储器与飞行光子之间高效连接。
在这样的背景下，为了打破这一瓶颈，来自美国杜克大学（Duke University）的研究人员开展了深入研究。他们致力于建立远程分离的囚禁原子量子比特（qubit）存储器之间的高保真纠缠，通过光子量子比特存储在脉冲定时中的特性来实现这一目标，即采用时频（time-bin）编码的方式。这种编码方式不仅能有效消除对极化误差的敏感性，还为长距离量子通信开辟了新的道路，同时也可扩展到具有两个以上状态的量子存储器，为量子技术的进一步发展提供了更多可能。
经过不懈努力，研究团队取得了令人瞩目的成果。他们成功实现了两个远程单个原子量子比特通过时频光子的纠缠，测量得到的贝尔态（Bell state）保真度达到了F=0.970(4) 。这一成果意义非凡，它表明基于光子的远程纠缠保真度极限能够优于 0.999。这一突破为基于原子量子比特的模块化量子计算机的大规模扩展奠定了坚实基础，为量子节点之间的长距离量子通信提供了可靠保障，同时也为高维量子存储器的资源高效纠缠创造了有利条件。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过激光冷却（laser - cooling）和光泵浦（optical pumping）技术，将离子初始化为特定状态，实现了量子比特的制备。其次，利用超快 493nm 激光脉冲激发原子，产生单光子，并通过光纤收集和传输。最后，借助非偏振 50:50 光纤分束器（BS）和雪崩光电二极管（APD）进行光子干涉和联合检测，从而实现原子量子比特的纠缠。
下面具体来看研究结果：
- 纠缠速率和保真度：研究人员通过在早期和晚期时间窗口内检测单光子点击来预示纠缠。测量得到离子 - 离子纠缠的成功概率PE=2.3×10?5 ，在检测时间窗口δt=10ns时，平均纠缠速率为0.35s?1。通过测量不同基下的量子比特相关性来表征纠缠态，测得的纠缠态保真度（未校正状态制备和测量误差）对于Ψ+态为F=0.968(4) ，对于Ψ?态为F=0.972(3) 。研究人员发现，1762nm 量子比特激光强度的缓慢漂移是导致保真度不完美的主要原因，其他误差来源还包括泄漏、与运动的残余纠缠、微运动多普勒频移和光学系统缺陷等。
- 擦除错误的校正：在光子发射过程中，每个离子有～24% 的概率衰变为错误的基态。研究人员通过将该状态 shelving 到另一个状态，在状态检测后再 de - shelve 回来进行二次检测，从而将擦除错误抑制到 0.1% 以下，并且使用该技术观察到保真度至少提高了 1%。
- 定时和原子反冲误差：光子预示的原子 - 原子纠缠的保真度对光子检测的时间差异很敏感。研究人员通过调整离子的模式频率，使其与激发率成整数倍关系，有效抑制了因原子运动产生的误差。同时，他们发现通过缩小检测窗口δt可以控制由随机光子到达时间引起的退相干，但这也会降低产率和纠缠速率。通过实验，他们观察到将检测窗口从 50ns 减小到 10ns 时，保真度提高了～1% ，残余保真度误差为 -0.2% 。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，利用时频编码光子实现囚禁离子的远程纠缠，有潜力成为量子存储节点之间高保真或长距离光子互连的首选方法。通过稳定 1762nm 激光功率、使用具有无限长空闲相干时间的超精细时钟量子比特、稳定 MHz 量级的模式频率、进行亚多普勒冷却（sub - Doppler cooling）和改进状态制备与测量（SPAM）等措施，有望将远程纠缠保真度提高到 0.999 以上。此外，提高和稳定 1762nm 激光强度，实现超过 MHz 的稳定拉比频率（Rabi frequency），将使该协议的运行速率接近每秒103次。这种高保真和高速率的纠缠对于光子网络量子计算机的扩展、量子中继器以及其他长距离量子通信协议至关重要。而且，通过将上述协议扩展到任意数量的时间窗口，这种光子互连可以轻松与高维量子比特寄存器接口，为网络和量子计算应用生成特定的纠缠量子态。
综上所述，该研究成果为量子计算和量子通信领域带来了新的突破和发展方向，为未来大规模量子技术的实现提供了重要的理论和实验基础，具有深远的科学意义和应用价值。
