在过去的几十年里，量子物理学家和工程师一直在努力开发新的、可靠的量子通信系统。这些系统最终可以作为评估和推进通信协议的测试平台。
芝加哥大学的研究人员最近推出了一种具有远程超导节点的新型量子通信测试平台，并在该测试平台上演示了双向多光子通信。他们的论文发布在《物理评论快报》上，为实现超导电路中复杂量子态的高效通信开辟了一条新途径。
“我们正在开发用于模块化量子计算的超导量子比特，并作为量子通信测试平台，”该论文的合著者Andrew Cleland告诉 Phys.org。“两者都依赖于能够在量子比特'节点'之间连贯地通信量子态，这些量子比特'节点'通过稀疏的通信网络相互连接。
研究人员最近的研究建立在之前发布在《自然物理学》和《自然》上的两篇研究论文之上。在之前的这些工作中，该团队证明了他们可以产生远程纠缠并发送复杂的量子态，后者一次一个量子比特。
“在我们的新研究中，我们想尝试同时发送代表多个量子比特的复杂量子态，”Cleland说。“为此，我们将量子态加载到谐振器中，然后将整个谐振器状态发送到传输线中，用远程谐振器捕获它以进行后续分析。
谐振器是表现出电共振的器件，名义上具有无限数量的量子能级。因此，从理论上讲，它们能够存储非常复杂的状态，这些状态编码了几个量子比特的数据。由于这些有利特性，使用谐振器发送和接收数据可以增加可用带宽。
在他们的实验中，Cleland和他的同事使用了两个超导量子比特，每个量子比特都连接到一个可调谐的超导谐振器。这些谐振器中的每一个又通过称为可变耦合器的装置连接到一条 2m 长的传输线。
“我们使用一个超导量子比特，使用我们多年前建立的方法，在不同的量子态中'编程'到它的伴生谐振器，”克莱兰说。
“然后，我们打开谐振器与传输线的耦合，将量子态从谐振器释放到传输线中，在那里它作为一组纠缠移动光子传输。然后，它们被另一个谐振器使用释放过程的反向“捕获”，我们使用该谐振器的量子比特来分析接收状态。该系统可以在任何一个方向上同样好地传输。
研究人员实现的设计使他们能够实现单微波频率光子的双向传输，以及双光子Fock态|2>在一个方向上与单光子Fock态|1>在另一个方向上同时传输，以及叠加光子Fock态|0>+|1>和|0>+|2>的传输。
“然后，我们展示了所谓的N00N态的产生，代表两个谐振器之间的纠缠，最终首先实现了纠缠态|10>+|01>的产生，一个光子在两个谐振器之间'共享'，然后产生状态|20>+|02>，两个光子以相同的方式'共享'，”克莱兰说。
“总的来说，我们的工作展示了一条可行的途径，以实现更复杂的量子态的高效通信，而不仅仅是两个节点之间的单光子。
Cleland和他的同事们推出的新的量子通信测试平台可能很快就会为进一步的工作和进步铺平道路。首先，它可以用于实现分布式计算，其中电路中的每个节点执行计算并将结果有效地传达给另一个节点。此外，它还可用于演示两个节点共享复杂状态的系统，并且每个节点都对此状态执行不同的操作。
“我们的平台也可以用于量子通信，例如，在某种程度上复杂的编码量子信息可以在一次传输中传输，”Cleland补充道。
“我们现在正在研究这个实验的许多不同方面;例如，我们计划增加节点的数量，提高过程的保真度，并探索如果我们有更多的并行通信渠道，会发生什么。
