量子網絡是基于量子力學規律對量子信息進行存儲、處理和傳輸的物理裝置，是實現量子通訊和大規模量子計算的基礎。清華大學研究團隊利用同種離子的雙類型量子比特編碼，在國際上首次實現無串擾的量子網絡節點，對未來實現量子通訊和大規模量子計算具有重要意義。該研究成果近日發表于國際學術期刊《自然·通訊》。

量子網絡可由不同的物理載體實現，離子阱是其中最有潛力的物理系統之一。離子-光子糾纏是實現離子阱量子網絡的關鍵步驟，但該操作會影響離子存儲比特，導致信息丟失。為避免這種串擾現象，研究人員通常采用不同種類的離子來分別產生離子-光子糾纏和存儲量子信息，抑制串擾誤差。然而，這種方法往往需要的器件成本較高，在操作中還需精細控制不同種類離子的比例和位置，且不同離子間的協同冷卻效率低，操作難度大。

       圖為無串擾量子網絡節點演示圖（受訪者供圖）

為此，清華大學交叉信息研究院段路明教授課題組經過長期研究，創造性提出使用同種離子的雙類型量子比特實現量子網絡節點的方案。清華大學交叉信息研究院助理研究員黃園園介紹，他們利用同種離子的兩對超精細能級結構，分別編碼出量子網絡中用于與光子產生糾纏的“通訊比特”和用于存儲信息的“存儲比特”。同時，利用激光還實現了兩種量子比特間微秒量級的相干轉換。

實驗發現，通過此方法制備出的通訊比特，可在數百毫秒的時間內生成離子-光子糾纏；通過自旋回波方法可延長存儲比特的存儲壽命，實現相干時間達到秒量級的存儲量子比特。通過比較有無離子-光子糾纏生成操作時存儲比特的保真度變化，研究人員證實了兩種量子比特之間低于實驗精度的串擾誤差，從而實現了無串擾的量子網絡節點。

       圖為清華大學交叉信息研究院博士生馮路（左）和助理研究員黃園園（右）正在實驗室研究（受訪者供圖）

中國科學院院士、清華大學交叉信息研究院教授段路明表示，相較于此前采用不同種類離子產生離子-光子糾纏和存儲量子信息的方案，這一新方案在硬件上極大簡化了實驗系統，保證了信息傳播及存儲的效果，向未來量子計算機和量子網絡的模塊化邁出了重要一步。（記者魏夢佳）