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多路复用量子网络（艺术图）。图片来源：美国科学促进会网站

据新一期《自然》杂志报道，美国加州理工学院领导的研究团队搭建了一个包含两个节点的量子网络，其中每个节点又包含多个量子比特，意味着单自旋量子比特网络实现了多路复用。这一成果为未来的量子通信系统奠定了基础。

为实现这一目标，团队开发了一种纠缠多路复用协议。它能并行分发量子信息，有效创建多个数据传输通道。这是首次在由单个自旋量子比特组成的量子网络中实现多路复用，大幅提高了节点间的量子通信速率。

量子通信的目标是利用被纠缠的原子作为量子比特来共享或传输量子信息。然而，受限于量子比特制备和光子传输的时间，目前的通信速率较低。纠缠多路复用技术通过每个节点使用多个量子比特克服了这一瓶颈问题。团队通过同时制备和传输多个量子比特，使纠缠速率可随着量子比特数量的增加而成比例提升。

在该量子网络中，两个节点由纳米级钒酸钇晶体结构组成。团队在晶体中嵌入镱原子作为量子比特存储和处理信息，并利用激光激发这些原子，使其发射携带量子信息的纠缠光子。这些纠缠光子分别从两个节点出发，并传输至中央检测站。

在新协议中，光子抵达中央检测站后，执行了量子前馈控制，即基于光子的探测信息，应用特定量子电路，确保不同光学频率的原子仍能保持纠缠态。

基于钒酸钇晶体的量子信息处理平台可容纳大量量子比特。此次实验中，每个节点包含约20个量子比特。未来，该系统有望扩展至每个节点包含数百个量子比特。

在量子通信领域，实现大规模量子纠缠态的制备与操控，是科学家的重要努力方向。单自旋量子比特网络实现多路复用，意味着可以在同一物理系统中同时操控多个量子比特，并行分发量子信息，大大提升了量子比特的利用效率。这就好比把原先的单条道路，拓展成包含多条道路的交通枢纽，可以允许多辆汽车在同一时间、不同车道上高效行驶。展望未来，单自旋量子比特网络多路复用技术有望为大规模量子计算和量子通信网络的实现提供重要技术支撑。