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化学计量晶体中稀土离子集合的量子处理
小型量子处理器有助于使量子网络变得实用且对错误具有鲁棒性。例如，在基于测量的量子中继器中，多量子比特处理器可以净化纠缠[1-3]，消除光子传输过程中由退相干引起的误差。小型处理器可用于生成某些容错通信方案 [5] 或盲量子计算 [6] 所需的簇状态 [4]。如果处理器之间能产生足够强的耦合，那么可扩展的分布式量子计算 [7,8] 将成为可能。适合制造小型量子处理器的物理系统与全尺寸量子计算的物理系统可能非常不同，全尺寸量子计算的主要关注点是扩展到大量量子比特。小型处理器可以优先考虑高量子比特互连性和强量子比特相互作用。这些特性表明系统内的量子比特彼此靠近，例如固体中的自旋簇。这些自旋团簇需要强光耦合，因为上述大多数小型处理器应用都是光学接口。此外，工作波长和带宽应与其他网络元件和光通道相匹配。这种光寻址自旋团簇系统的一个著名例子是金刚石中的氮空位 (NV) 中心与附近一组随机的 13 C 核自旋耦合 [9-11]。在本文中，我们提出了一种用于生成小型量子处理器的自旋团簇系统：稀土晶体中掺杂剂周围的稀土宿主离子（见图 1）。在这样的系统中可以解析数十个量子比特，而短的离子间距离意味着量子比特之间存在强相互作用。稀土离子具有光学可访问的超精细自旋态，具有较长的光学和自旋相干性
按需量子态传输与纠缠...
通过传播光子耦合孤立量子系统是量子科学的中心主题 1、2，具有实现分布式容错量子计算 3 – 5 等突破性应用的潜力。到目前为止，光子已被广泛用于实现高保真远程纠缠 6 – 12 和状态转移 13 – 15，方法是用条件反射补偿效率低下，这是一种限制通信速率的概率性策略。与此相反，我们在这里通过实验实现了一个长期存在的确定性直接量子态转移的提议 16。利用高效的、参数控制的微波光子发射和吸收，我们展示了两个孤立超导腔量子存储器之间按需的高保真状态转移和纠缠。传输速率比任一存储器中光子的丢失速率更快，这是复杂网络的基本要求。通过以多光子编码传输状态，我们进一步表明，使用腔体存储器和状态独立传输创造了惊人的机会，可以通过量子误差校正确定性地减轻传输损耗。我们的研究结果为跨网络的确定性量子通信建立了一种引人注目的方法，并将实现超导量子电路的模块化扩展。直接量子态转移是一种快速、确定性的量子通信方案，用于在量子网络中传播光子 16 。在该协议中，发送节点以成形的光子波包形式发射量子态，然后被接收节点吸收。这需要光和物质之间强大的可调耦合，以及在共享通信频率上高效传输光子；到目前为止，由于光子耦合和传输效率低下，光网络中的状态转移具有高度概率性 8 。相比之下，超导微波电路可以将低损耗与强耦合相结合。该平台非常适合实现按需状态转移，从而以模块化方式扩展量子设备。为此，超导微波存储器和传播模式已成功对接，独立实现受控光子发射 17 – 20 和吸收 21 – 23。然而，由于高效、频率匹配的光子传输需求带来的困难，远距离确定性量子通信的目标至今仍未实现。