2026年7月14日——未来量子计算需要远距离模块之间的关联——一种被称为分布式纠缠的特性。传统上，这种纠缠依赖于主动控制和重复测量。现在，奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的物理学家们利用关联光粒子构成的“量子浴”，实现了一种完全自主的分布式纠缠方法。他们的研究成果发表在《物理评论 X》上，实验验证了一个20年前的预测，并为应用量子技术提供了新的平台。

纠缠是量子物理的核心特征，其中共享的关联性超越了经典物理学理论所能解释的范围。实现物理分离的量子比特之间的分布式纠缠，将推动未来的进步，例如可扩展量子计算机和量子网络。

为了纠缠远距离的量子比特，早期的尝试依赖于两种方案。一种方法是，将一个主动控制的单光子从一个量子比特发送到另一个。第二种方法是，每个量子比特发射一个光子，这两个光子必须匹配才能产生纠缠。虽然第二种方法获得了2022年诺贝尔物理学奖，但它需要大量的重复测量和后选择，而且并不总能产生纠缠。

现在，奥地利科学技术研究所的博士生亚历杭德罗·安德烈斯-胡安内斯和约翰内斯·芬克教授与国际团队合作，设计出了一种量子浴，能够自主同步远距离量子比特的“舞蹈”。通过开发一种使用公共关联光粒子源来纠缠两个远距离量子比特的原型设备，该团队首次实验演示了20多年前提出的一个理论。

完全自主的纠缠

纠缠存在多种形式。连续变量纠缠态可以高效生成，因此很容易获得。它们类似于一个钟摆，其位置和动量是连续变化的。然而，大多数应用需要“离散变量”系统，即固定量子比特可以与之相互作用的“要么全有要么全无”形式的纠缠。ISTA的研究人员能否设计出一个桥接这两种纠缠形式的系统？

“在这项工作中，我们旨在克服容易获得的纠缠形式与实际有用的纠缠形式之间的不匹配，”安德烈斯-胡安内斯说。“通过远程稳定纠缠态，我们的方法完全自主，不需要主动控制或测量。”

与公共光粒子源同步

量子计算应用的主要挑战之一是维持量子比特的纠缠和量子相干性。

“在我们的方法中，量子浴——即量子比特的环境——是纠缠的来源。它通过连续不断的关联光子流创造了一个新的基态，”芬克说。“这样，纠缠的量子比特态就被稳定下来，甚至超越了量子比特自身的‘寿命’，并且始终可以作为进一步量子处理的资源可用。这使得该方法在概念上意义重大。”当纠缠始终可用时，科学家可以按需获取它。这与短命的纠缠形成对比，后者只能在它恰好存在时使用。

为了使量子比特与纠缠光子源相互作用，该团队使用了一种特定类型的光粒子——微波光子。这些低能光粒子非常适合操纵量子信息，并构成了当今领先的超导量子比特技术的基础。另一方面，光学光子通常用于光学和原子物理学。此外，光学光子可以帮助通过光纤在远距离量子计算机之间传输量子信息，这也是ISTA芬克小组的另一个研究兴趣。

窥探量子比特状态

为了验证量子浴中的量子比特确实同步，该团队使用了一种称为量子层析成像的验证技术，之所以这么命名，是因为它可以从许多“切片”中重建系统。“量子比特可以处于状态的叠加态，但当我们测量它们时，所有这些状态都会坍缩，只留下0或1的状态，”安德烈斯-胡安内斯说。利用量子层析成像，该团队可以记录短至20-80纳秒的测量结果，以探测底层的量子比特状态。一纳秒是十亿分之一秒。

从理论到实现：二十年

通过演示两个孤立量子比特经由量子浴的纠缠，ISTA团队开发出了一个概念验证的实验室原型。“我们提出了一种相对简单的方法，可以扩展到同步多个远距离量子比特，”安德烈斯-胡安内斯说。尽管该团队的方法显示出有希望的结果，但其他涉及主动控制量子比特状态的方法效率更高。“我们的方法目前转移了浴中可用纠缠的大约10%。”

研究人员认为，这个理论是在二十多年前的理想化条件下提出的，这或许可以解释为什么之前无法演示它。“我们的实验帮助我们揭示了几个因素，这些因素可能阻碍了科学家们利用单个关联光子源设计出用于分布式纠缠的功能性量子浴，”芬克说。

ISTA团队的设备原型可能为量子光学实验以及将量子处理器扩展到容错操作开辟道路。