​《Science》：传输数据新方法，量子网络节点！

利用光子和物质的量子特性来传输数据的通信网络比传统网络更安全。这种量子网络的物理实现需要特殊的设备，可以将存储的信息转换为量子载体--类似于普通计算机将硬盘上的比特转换为光纤信号的方式。为了实现这种转换，该设备必须能够在固定的量子比特和用于数据传输的光子之间产生量子纠缠。一旦产生，纠缠的光子和量子比特就可以用来执行各种任务，例如生成和发送加密密钥。

对于产生和存储纠缠的量子网络节点，有几个基本和实际的要求。该节点必须有一个有效的接口，在光子和物质 "量子比特 "或 "量子比特 "之间进行转换；它必须对物质量子比特保持高度控制；它必须能够将物质量子比特中的信息转换为内存量子比特，以便长期存储。出于实际原因，该装置还应该能够在接近室温的条件下工作。光子和物质量子位之间的纠缠也必须能够大规模地用于实际应用，而且该装置必须能够保持物质量子位的稳定性，使光子量子位能够在节点之间移动足够长时间。

基于以上基础，哈佛大学米哈伊尔·卢金（M. D. Lukin）教授课题组报告了在金刚石纳米光子腔中实现基于硅空位中心（SiV）的集成双量子比特网络节点。他们的量子比特寄存器包括作为通信量子比特的SiV电子自旋和作为记忆量子比特的强耦合硅-29核自旋，其量子记忆时间超过2秒。通过使用高度应变的SiV，他们在实现了温度高达1.5开尔文的电子-光子纠缠栅极和高达4.3开尔文的原子核-光子纠缠栅极。他们还通过使用电子自旋作为标志量子比特，证明了核自旋-光子门的高效错误检测，使这个平台成为可扩展的量子中继器的一个有希望的候选者。相关成果以“Robust multi-qubit quantum network node with integrated error detection”为题发表在最新一期Science上。

作者选择了一种特定的同位素硅-29（29Si）嵌入空位中心。在外部磁场中的29SiV构成了一个由四个自旋态组成的双量子比特系统，具有非退行性的转换频率（图1A）。电子和核自旋量子比特分别通过使用微波（MW）和射频（RF）脉冲进行相干控制，这些脉冲通过黄金共面波导传递（图1B）。SiV被嵌入到一个纳米光子腔中（图1C），它增强了在737纳米处的激发态流形的光学转换（图1A），用于状态读出和自旋-光子纠缠。SiV腔系统表现出高对比度的自旋依赖性反射光谱（图1D），这是由强腔耦合促成的。

电子状态的高保真谐振读出是通过测量激光在最大反射强度对比的频率下的反射强度来实现的（图1D）。使用电光调制器（EOM）产生边带（图1E），作者沿同一路径发送两个音调（图1D），并通过产生的跳动模式测量自旋依赖的反射相位差，以确定电子状态（图1F）。有了这种基于相位的读出方法，在造成1/e的核相干性损失之前，电子可以以95%的保真度被读取14次。这比谐振式读出方法（图1G）提高了8倍。

图 1.基于²⁹SiV的量子网络节点。

双量子位²⁹SiV系统通过选择性地驱动四个单自旋翻转（图1A）来实现完全控制。因为直接驱动C_eNOT_n门不可能将电子叠加态转移到核上。所以作者使用动态解耦序列增加电子相干时间，并与逐步的核旋转交织在一起，实现解耦的C_eNOT_n（图2A）。通过解耦的C_eNOT_n，作者可以将电子的叠加状态交换到核自旋状态上（图2B），并使用XY8解耦序列来存储。

图 2.基于硅29核自旋的长寿命量子存储器

为了实现稳健的自旋-光子纠缠，作者使用了具有较大残余应变的SiV，它极大地抑制了热退相干过程的速率，使得在1.5 K的条件下操作时，T2,e没有明显的减少（图3A）。图3B所示的纠缠门序列以检测到一个反射光子为条件产生了纠缠态。作者发现在0.1K的贝尔状态保真度为0.91±0.02（图3C），这主要受限于↓e状态的残余反射和不完美的光子状态测量。为了进一步扩展自旋-光子接口的纠缠能力，作者引入了一个光子-核子纠缠（PHONE）门，只用快速的MW栅极就能直接将29Si核自旋与光子量子位纠缠在一起。如图3D所示，作者应用一连串的CNOTs，使每个时间段的电子状态以及SiV反射率都以核状态为条件；最终的纠缠状态就可得出。作者测量了在0.1K（4.3K）时产生的贝尔状态保真度为0.85±0.02（0.66±0.02）（图3，E和F）。

图 3.高温下的自旋光子纠缠

与纠错协议中的标志量子位类似，通过测量电子自旋量子比特的状态，可以以减少某些栅极故障概率为代价来减少PHONE栅极误差（图4A）。如图4B所示，在0.1K（4.3K）的条件下，使用该程序使贝尔状态的保真度增加2%（7%），达到0.87±0.02（0.71±0.02），错误检测率为8.4%（13.9%）。在图4C中，作者将所有这些组件结合起来，在4.3K下实现PHONE门的错误检测，并使用回波序列（图4A）将自旋-光子纠缠状态存储在核自旋存储器中，超过50%的阈值2.5毫秒，而没有错误检测则为1.5毫秒。错误检测协议可以检测到MW门错误和T1,e和T2,e限制的去极化和去杂波，在4.3K时保真度的大幅提高是由于在这个温度下短T1,e和T2,e时间的可检测错误的贡献更大。相反，在0.1K时，由于保真度被来自光子状态测量和SiV光学对比的不可检测的误差所支配，因此错误检测的改进是有限的。

图 4.具有集成错误检测的自旋光子纠缠

小结与展望： 这些结果为实现量子网络和探索其应用开辟了几条新途径。通过延长不同通信方到达存储器节点的光子的时间窗口进行异步贝尔测量，直接访问额外的存储量子比特直接改善了内存增强的量子密钥分发，而相位读出协议促进了纠缠尝试之间的电子复位，同时信息被存储在核上。这里展示的方法也可以使可扩展的基于SiV的量子中继器网络得到部署。作者发现所有SiV中超过11%的应变足以在1.5K下运行，这表明在纳米光子腔中有相当数量的高应变器件可以在高温下运行。此外，最近展示的纳米腔的应变调谐技术可以使人们完全确定地进入高应变操作。对于更复杂的自旋光子纠缠序列。它还为在SiV电子相干性变差的情况下更有效地操作提供了机会。使用具有更高的合作性的腔体应该可以使电子-自旋光子和PHONE门具有更高的保真度和效率，以及在电子读出期间改善29Si状态的保存。最后，附近的13C自旋，例如与本工作中使用的SiV相关的自旋，可以作为额外的记忆资源。除了实现多节点量子网络协议，这些系统还可以允许产生复杂的光子树集群状态，使强大的单向长距离量子通信。

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