研究背景
量子網絡是基于量子糾纏實現跨多個量子寄存器之間的信息處理，因其在量子密鑰分發、分布式量子計算、非局部計量等領域的應用潛力，近年來成為了一個重要的研究方向。與傳統的經典計算網絡相比，量子網絡可以提供更高的安全性、更強的計算能力和更精確的測量精度。然而，量子網絡的實際應用仍面臨許多技術挑戰，尤其是節點之間的量子信息存儲、傳輸和處理能力，以及網絡規模擴展時如何有效控制和糾正錯誤。
在此，清華大學交叉信息研究院段路明院士、鄧東靈、侯攀宇課等人在“Nature Physics”期刊上發表了題為“Hybrid entanglement and bit-flip error correction in a scalable quantum network node”的最新論文。該團隊設計并制備了一個混合量子節點，成功實現了對三種類型的量子比特——電子自旋（作為接口量子比特）、核自旋（作為長時間記憶量子比特）和光子（作為飛行量子比特）的糾纏。該節點通過實現跨越光學到射頻三個頻段的量子比特，解決了量子信息在不同頻域之間傳輸和處理的問題。
研究通過引入額外的核自旋，該團隊使用重復編碼將多個存儲量子比特編碼為一個邏輯狀態，并與飛行光子量子比特糾纏。通過電子自旋接口量子比特反復讀取存儲量子比特的錯誤綜合信號并施加實時反饋，成功實現了比特翻轉錯誤的糾正。這項技術能夠有效提高量子信息的存儲與傳輸穩定性，顯著增強了量子網絡節點的可靠性。
研究亮點
1）實驗首次展示了基于鉆石顏色中心的混合量子節點，通過將三種不同類型的量子比特（電子自旋、碳-13核自旋和光子）糾纏，實現了跨越光學、射頻和微波等不同頻率領域的量子比特連接，保真度超過0.83(3)，為量子網絡應用提供了關鍵資源。
2）實驗通過引入額外的核自旋，使用重復編碼將三個存儲量子比特編碼為邏輯狀態，并將邏輯量子比特與光子量子比特糾纏。通過接口量子比特反復讀取存儲量子比特的錯誤綜合信號，應用實時反饋操作來糾正比特翻轉錯誤。實驗執行了最多12輪，顯示出在糾正后的邏輯-光子聯合態的比對未糾正情況下有所改善。
3）該研究展示了混合多量子比特控制的關鍵進展，驗證了量子中繼器在大規模量子網絡中所需的關鍵功能，如量子糾錯和多類型量子比特的協同控制，證明了量子網絡節點的可擴展性和實際應用的潛力。這一研究為未來實現全面大都市規模量子網絡鋪平了道路。
圖文解讀
圖1:大規模量子網絡中，混合多量子比特節點。
圖2:混合Greenberger–Horne-Zeilinger-type，GHZ態的產生和表征。
圖3:混合網絡節點中，本地存儲器量子位的重復糾錯和錯誤檢測。
結論展望
總之，本研究展示了在混合多量子比特量子網絡節點中的相干和復雜控制。生成的混合糾纏使得量子信息能夠在不同頻率領域之間傳輸。理論上，所涉及的每個量子比特都可以與不同系統中頻率相近的類似類型量子比特進行相互作用，這可能會導致新的混合量子系統的出現?；旌霞m纏可用于覆蓋廣泛頻率范圍的相關傳感。主動糾正比特翻轉錯誤的演示可以適應于糾正相位翻轉錯誤，并實現容錯錯誤糾正。
他們通過技術升級或量子最優控制技術改進涉及錯誤糾正的相干操作，并通過使用量子邏輯的重復讀取提高錯誤綜合信號讀取的保真度，可以增強錯誤糾正能力。對于近期應用，錯誤檢測可能對提高網絡性能的完整性有所幫助。在未來的量子網絡中，可能更高效的做法是，僅在成功建立遠程糾纏后，才對每個節點進行本地邏輯編碼和錯誤糾正。作者的方法可以擴展到其他平臺，如被捕獲的離子和原子，其中可以像本研究中所示一樣，使用同種或混合物種的不同類型量子比特。
原文詳情
Chang, XY., Hou, PY., Zhang, WG. et al. Hybrid entanglement and bit-flip error correction in a scalable quantum network node. Nat. Phys. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41567-025-02831-x
