量子通信技术突破！Photonic与Microsoft合作，展示了电信波长的量子纠缠

2024-06-07

近日，加拿大初创公司Photonic，这家致力于开发基于光学链接硅量子比特的量子计算和网络技术的公司，在与关键合作伙伴和投资者微软的合作中，声称已经取得了重大突破——展示了两个相距40米的模块之间的纠缠。

光子在物理分离的硅自旋量子比特之间执行了传送CNOT门（量子门传输），从而满足了远距离量子通信的第一个要求。

2023 年 11 月，Microsoft 和 Photonic 启动了他们的合作努力，以推进量子网络和计算。5月30日，Photonic宣布能够使用电信波长的光子在点对点连接中成功地在两个物理上分离的量子比特之间传输量子信息。在短短六个月的时间里，Photonic 就实现了量子互联网道路上这一重要的科学里程碑，从而实现了我们三个合作目标中的第一个，并将理论付诸实践。值得注意的是，这一成就表明，现有的电信网络具有实现远距离量子通信的潜力，这是量子互联网和分布式量子计算的基础。

“这一里程碑将量子计算的边界扩展到了孤立系统之外。跨多台量子计算机有效执行大规模量子算法在很大程度上依赖于大量的分布式纠缠。我们与 Microsoft 的合作以及最近的这些演示强调了我们独特的架构策略在应对超越单个节点扩展的挑战方面的可能。尽管仍有大量工作要做，但认识到纠缠分布在可扩展量子技术发展中的关键作用至关重要。”

——Stephanie Simmons博士，Photonic创始人兼首席量子官，加拿大国家量子战略咨询委员会联合主席

01 Photonic的自旋光子架构

量子计算使用量子比特或量子比特来存储和处理信息。量子比特有多种类型，其中一种是硅自旋量子比特。Photonic的架构将硅自旋量子比特的信息存储和信息处理能力与自旋光子界面中光子的信息传输能力相结合，可用于量子网络和量子计算。这种新颖的架构通过在电信波长的O波段本地运行来支持量子通信，使其有可能通过使用现有的电信光纤在全球范围内扩展。

02 量子逻辑门

经典计算机和量子计算机都使用逻辑门执行操作，将输入数据转换为输出。一种类型的量子逻辑门是受控 NOT （CNOT）门，它对两个量子比特（控制量子比特和一个目标量子比特）进行操作。

如果控制量子比特的状态为 0，则目标量子比特的状态保持不变。但是，当控制量子比特的状态为 1 时，目标量子比特的状态将翻转，因此 0 变为 1，或者 1 变为 0。为了在大型系统上执行量子计算，必须在模块内部和模块之间实现像CNOT这样的逻辑门。

作为可扩展的远距离量子计算的先决条件，必须实现将纠缠分布到物理上分离的量子系统（称为分布式纠缠）。

03 分布式量子纠缠

通过与Microsoft的合作，Photonic实现了硅自旋量子比特之间的分布式纠缠，这些量子比特位于单独的低温恒温器中，通过40米长的光纤电缆连接。在连续的三个演示中，每个演示都建立在上一次成功的基础上，Photonic团队：

验证了通过光纤传输量子信息的光子彼此无法区分。
成功地将量子比特与这些光子纠缠在一起。
在物理上分离的量子比特之间执行远程量子逻辑门序列（用于传送的 CNOT 门）。

这一成就展示了通过使用隐形传态在不同位置的量子比特之间执行逻辑门，在工业环境中操作量子计算机的能力。没有物理连接的量子比特之间的纠缠，甚至位于同一个低温恒温器中，为量子计算机之间的长距离通信铺平了道路，并且是实现规模化量子计算的一种手段。该技术的潜在应用包括安全地分发用于加密数据通信的密钥，以及实现可靠的远距离量子网络。

量子网络并非旨在取代经典网络，而是将扩展其功能，以便量子信息可以在量子或经典端点之间传输。现在我们已经进入了量子网络的第一阶段，定义为在点对点连接中实现两个独立量子设备之间的纠缠，下一步是提高纠缠分布的质量。在这样做之后，我们将努力纠缠更多的量子设备，其成就将标志着进入第二阶段。最终，我们的目标是实现第三阶段，即远距离量子通信将实现量子互联网。

04 将 Photonic 的架构集成到 Microsoft Azure 中

Microsoft 和 Photonic 将继续合作，并致力于通过 Microsoft Azure 云的全球基础设施将量子网络功能集成到日常操作环境中。除了在量子网络中具有应用外，Photonic的架构同样适用于分布式量子计算。我们打算为 Azure Quantum Elements 的客户提供访问 Photonic 硬件的机会（如果可用），从而释放解决复杂科学问题的潜力。

通过合作，Microsoft 和 Photonic 正在将他们的共同愿景——创建和扩展有助于解决影响全人类问题的系统——更接近现实。在 Microsoft，我们正在将量子技术整合到我们现有的云高性能计算机中，以创建混合系统，这些系统与人工智能的力量一起，有可能帮助科学家创造更可持续的产品，发现新的治疗方法等等。

人工智能和量子计算的进步有可能帮助研究人员解决全球科学挑战。为了促进这些技术的安全使用，我们将确保以负责任的方式开发和部署这些技术。我们将继续采取周到的保障措施，以我们对负责任的人工智能的承诺为基础，并随着这些能力的增长而采用负责任的计算实践。