量子互联网时代巨大飞跃科学家推出全球首台新型Bell态分析仪

　　科学家们对量子力学的掌握程度越来越高，预示着一个新的创新时代的到来。利用自然界最微小尺度的技术在科学领域显示出巨大的潜力，从功能超强的计算机、到能够探测难以捉摸的暗物质的传感器，一直到几乎无法攻克的量子互联网。
　　美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）、自由光子学和普渡大学的研究人员设计并演示了第一台用于频率编码的Bell态分析器，从而向全量子互联网迈出了一大步。他们的发现发表在Optica上。
　　在信息通过量子网络发送之前，它必须首先被编码成量子状态。这些信息包含在量子bit或用于存储信息的经典计算bit的量子版中，它们纠缠在一起，这意味着它们处于一种无法相互独立的状态。当两个量子位处于bell态时，两个量子bit之间的纠缠被认为是最大的。
　　测量这些bell状态对于执行量子通信的许多协议至关重要。虽然这些测量已经进行了很多年，但该团队的方法代表了第一个专门为频率编码开发的Bell态分析器，这是一种量子通信方法，可以同时利用驻留在两个不同频率中的单个光子。
　　研究人员约瑟夫卢肯斯指出：测量这些贝尔状态是量子通信的基础，要实现传送和纠缠交换等事情，你需要一个bell态分析仪。
　　想象一下，你有两台通过光纤网络连接的量子计算机，由于空间上的分离，它们无法单独互动。但是，假设它们每个都可以在局部与单个光子纠缠在一起。通过将这两个光子沿光纤发送，然后在它们相遇的地方对它们进行bell态测量，最终结果将是两台遥远的量子计算机纠缠在一起。这种所谓的纠缠交换是构建复杂量子网络的关键能力。
　　虽然共有四种bell态，但分析仪在任何给定时间只能区分两种。但这非常好，因为测量其他两个态将带来不必要的巨大复杂性。
　　该分析仪采用仿真设计，保真度达到98；剩下的2错误率是测试光子的随机制备所产生的不可避免的噪声，而不是分析仪本身。
　　使用在ORNL开发的量子频率处理技术，研究人员展示了广泛适用的量子门，或执行量子通信协议所需的逻辑操作。在这些协议中，研究人员需要以用户自定义的方式操纵光子。
　　传统计算机和通信技术中使用的操作（如ANDOR）是分别对数字0和1进行操作，而量子门则在0和1的同时叠加上操作，从而在量子信息通过时对其进行保护，这是实现真正的量子网络必需的现象。
　　虽然频率编码和纠缠出现在许多系统中并且与光纤自然兼容，但使用这些现象来执行数据操作在传统计算机上被证明是困难的。
　　随着bell态分析仪的完成，卢肯斯和他的同事们正在寻求拓展到一个完整的纠缠交换实验，这将是频率编码领域的首个此类实验。
　　参考文献：
　　NavinB。Lingarajuetal，Bellstateanalyzerforspectrallydistinctphotons，Optica（2022）。