中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子互聯(lián)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)任希鋒教授研究組首次成功實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)光量子集成芯片之間的量子受控非門(mén)（CNOT門(mén)）隱形傳輸。該成果于7月8日發(fā)表在物理學(xué)知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)高集成度、可擴(kuò)展的量子節(jié)點(diǎn)，以及節(jié)點(diǎn)間高保真度的量子互聯(lián)。光量子集成芯片是實(shí)現(xiàn)此網(wǎng)絡(luò)極具前景的平臺(tái)。在此網(wǎng)絡(luò)中，不同節(jié)點(diǎn)量子比特間的量子門(mén)操作至關(guān)重要，而最具挑戰(zhàn)性的便是實(shí)現(xiàn)高保真的CNOT門(mén)隱形傳輸以糾纏遠(yuǎn)程量子比特，這是分布式量子計(jì)算的核心步驟。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程極為復(fù)雜：需在兩個(gè)量子節(jié)點(diǎn)間共享糾纏光子對(duì)，并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)執(zhí)行高精度、復(fù)雜的片上線性光學(xué)量子操作，對(duì)器件性能要求極高。

為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)基于硅基光子芯片制備了量子糾纏光源，并通過(guò)單模光纖將其中一個(gè)光子傳輸至另一芯片。尤為關(guān)鍵的是，團(tuán)隊(duì)采用了高維量子編碼技術(shù)，顯著簡(jiǎn)化了單個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部所需的線性光學(xué)量子操作，從而確保了片間CNOT門(mén)隱形傳輸?shù)某晒?shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)利用量子態(tài)層析和量子過(guò)程層析技術(shù)，對(duì)所實(shí)現(xiàn)的片間隱形傳輸邏輯門(mén)性能進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證：在5米光纖互聯(lián)距離下，門(mén)控態(tài)保真度高達(dá)95.69%，邏輯門(mén)過(guò)程保真度為94.81%；將互聯(lián)光纖拓展至1公里后，門(mén)控態(tài)保真度仍高達(dá)94.07%，邏輯門(mén)過(guò)程保真度為93.04%。

這項(xiàng)成果標(biāo)志著在光量子集成芯片間實(shí)現(xiàn)核心量子邏輯操作方面取得了重大突破。即使在公里級(jí)距離上，CNOT門(mén)的隱形傳輸仍能保持極高的保真度，為構(gòu)建基于光量子集成芯片的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)分布式量子計(jì)算等量子信息處理任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

不同節(jié)點(diǎn)間量子受控非門(mén)隱形傳輸?shù)脑韴D和芯片示意圖。

文章第一作者為量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馮蘭天副研究員，通訊作者為任希鋒教授。浙江大學(xué)戴道鋅教授、張明副教授、硅臻芯片丁禹陽(yáng)博士參與了該工作。該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大力支持。