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清华大学，又发Nature Physics！
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未来的量子网络将通过共享量子纠缠处理跨越多个量子寄存器的量子信息，具有革命性地改变一系列技术的潜力，如量子密钥分发、分布式量子计算和非局部计量等。近年来，越来越多的努力致力于开发基于不同平台的量子网络节点原型，包括捕获离子、原子、钻石颜色中心和量子点等。在个别节点的基本功能方面，已经成功演示了建立远程纠缠以及局部信息处理和存储等功能。实验室规模的量子网络中已经实现了几个关键原语。这些进展导致了最近的突破，特别是在城市规模量子网络的实现方面，展示了其在不久的将来应用的潜力。

实用的大规模量子网络将通过光纤基础设施连接多个位置（如图1所示），并可能依赖于量子中继协议。这要求许多网络节点，每个节点必须满足以下要求，以应对随着网络规模扩大而增加的难度。首先，每个节点应至少包含一个接口量子比特，能够与光子纠缠以建立远程纠缠。其次，每个节点必须包括具有长相干时间的存储量子比特，以在生成整个网络纠缠所需的时间内存储量子状态，而不仅仅是邻近节点之间的纠缠。第三，每个节点应具有多个存储量子比特，以支持维护量子信息完整性的高级功能，如错误纠正。随着网络的扩展，这些功能至关重要。节点数量的增加和整个网络活动所需时间的增加将导致由于操作不完善和退相干而产生更大的错误，必然会降低网络性能。多个存储量子比特还促进了复用，提高了纠缠生成的效率。此外，使用不同类型的量子比特作为接口量子比特和存储量子比特，对于提高稳健性有优势，因为对一种类型的操作不太可能导致对另一种类型的交叉干扰错误。然而，由于它们的物理特性和实验控制的复杂性，控制和测量不同类型的量子比特具有很高的难度。此前，已经在钻石颜色中心和捕获原子等平台上分别演示了这些能力。特别是，钻石颜色中心已经被用于通过附近的核自旋实现量子错误纠正，并实现了多个关键的网络原语。然而，将所有这些功能集成到一个单一的量子网络节点中仍然是一个巨大的挑战。

在这项研究中，清华大学交叉信息研究院 段路明院士团队的邓东灵/侯攀宇课题组展示了基于钻石中氮空位（NV）中心的混合多量子比特量子网络节点，成功实现了扩展量子网络所需的几个关键功能。研究者的主要成果有两方面。首先，研究者通过生成一个格林伯格-霍恩-泽林格型（GHZ）状态，涉及三种不同类型的量子比特——电子自旋作为接口量子比特、碳-13核自旋作为存储量子比特、光子作为飞行量子比特——成功展示了量子控制，且保真度超过0.83(3)。这个纠缠态将位于不同频率范围（射频、微波和光学域）上的量子比特连接起来，是量子网络应用中的关键资源。其次，通过利用混合控制并结合额外的存储量子比特，研究者将存储量子比特编码为逻辑状态并与飞行量子比特纠缠。在这一原理验证实验中，研究者使用了三量子比特重复编码来保护存储量子比特免受比特翻转错误。通过重复读取错误综合信号，并通过接口量子比特施加实时反馈来纠正错误，研究者成功实现了比特翻转错误的抑制。研究者通过测量Z基下的逻辑-光子联合态来验证了这一点。此外，研究者还通过后选择结果，选择那些错误综合结果显示没有错误的结果，进一步提高了最终状态的质量。这些结果展示了钻石中混合节点的关键进展，以及它们在实现完整的大都市规模量子网络中的潜力。