未来的量子计算机可能依赖于通过分布式纠缠连接广泛分离的模块。直到现在，创建这种连接通常需要主动控制和重复的测量。奥地利科学与技术研究所（ISTA）的物理学家现在展示了一种基于由相关光子组成的“量子浴”的完全自主替代方案。该实验发表在《物理评论X》上，提供了对二十多年前提出的预测的首次验证。这种方法最终可能为实际量子技术提供新的基础。连接遥远的量子比特 纠缠是量子物理学的一个基本现象。它允许粒子或系统分享不能用经典物理学解释的相关性。创建物理上分离的量子比特之间的分布式纠缠可能对构建更大的量子计算机和未来的量子网络至关重要。之前尝试纠缠远距离量子比特的努力一般遵循两种策略之一。一种方法是将单个主动控制的光子从一个量子比特发送到另一个量子比特。另一种方法是每个量子比特发射一个光子，然后将两个光子匹配以试图产生纠缠。这第二种方法被2022年诺贝尔物理学奖认可。然而，它仍然依赖于重复的测量和后选择，即使这样，过程也不总能成功产生纠缠。奥地利科学与技术研究所（ISTA）的博士生阿莱哈ンド罗·安德烈斯-胡安斯和教授约翰内斯·芬克与国际合作者合作，开发了不同的解决方案。他们的系统使用量子浴，自动将遥远的量子比特同步。在一个原型设备中，研究人员使用共享的相关光粒子源来纠缠两个分离的量子比特，实验性实现了一个在理论上存在超过二十年的想法。完全自主的量子纠缠 量子纠缠可以采取几种形式。连续变量纠缠态可以有效地产生，因此相对可及。然而，许多有用的量子技术依赖于“离散变量”系统。这些包括“全有或全无”的纠缠形式，可由静止的量子比特使用。ISTA团队面临的挑战是找到将这些 readily available 的连续纠缠形式与实践应用所需的离散形式相连接的方法。“在这项工作中，我们旨在克服 readily available 形式与实际上有用形式之间的错位，”安德烈斯-胡安斯说。“通过远程稳定纠缠态，我们的方法是完全自主的，无需主动控制或测量。”由相关光提供能量的量子浴 维持纠缠和量子相干性是量子计算面临的主要困难之一。研究人员通过使量子比特的周围环境自身负责生成和稳定纠缠来解决这个问题。“在我们的方法中，量子浴——指量子比特的环境——是纠缠的来源。它通过连续流的相关光子创造一个新的基态，”芬克说。“这样，纠缠的量子比特状态在超出量子比特自身‘生命周期’时被稳定，并始终作为进一步量子处理的资源可用。这使得这种方法在概念上具有重要意义。”由于纠缠状态始终可用，研究人员可以在需要时随时访问。这与临时纠缠不同，后者必须在存在的短暂时期内使用。微波光子保持量子比特连接 为了将量子比特与纠缠光子源耦合，研究人员依靠微波光子。这些低能量光子特别适合操控量子信息，已经是领先的超导量子比特技术的核心。光学光子则发挥不同的作用，常用于光学和原子物理学。它们也可能在通过光纤在遥远的量子计算机之间传输量子信息时变得重要，这是芬克团队在ISTA也在研究的领域。测量隐藏的量子状态 研究人员需要确认这两个量子比特在量子浴中是否真正同步。为此，他们使用量子断层成像，这是一种通过检查其行为的许多不同“切片”来重建量子系统的技术。“量子比特可以处于状态的叠加中，但当我们测量它们时，所有这些状态都崩溃，留下我们一个0或1的状态，”安德烈斯-胡安斯说。量子断层成像使研究人员能够进行仅持续20至80纳秒的测量，并利用这些观测结果来调查量子比特的基础状态。