Безусловно телепортированные квантовые логические элементы между удалёнными твердотельными регистрами кубитов

Соединение квантовых компьютеров на расстоянии

Современные экспериментальные квантовые компьютеры малы и хрупки, но многие будущие идеи опираются на их объединение в нечто вроде квантового интернета. В этом исследовании показано, что два крошечных процессора на основе алмаза, расположенные в отдельных криостатах и соединённые только оптическим волокном и классическими проводами, могут выполнить важную совместную операцию так, будто они одно устройство. Эта возможность является строительным блоком для защищённой связи на больших расстояниях, мощных распределённых вычислений и тестов основ квантовой физики.

Новый тип удалённого управления

В обычной информатике пересылка информации между машинами проста: биты копируются и перемещаются. Квантовые устройства иные: считывание квантового бита, или кубита, обычно разрушает его тонкое состояние. Вместо пересылки кубитов туда и обратно теоретики предложили «телепортировать» эффект квантовой операции от одного узла к другому. Базовый рецепт — сначала создать запутанность между двумя удалёнными кубитами, затем с помощью локальных операций и общих результатов измерений заставить операцию действовать нелокально. Ключевая задача — сделать это детерминированно, без отбраковки неудачных запусков, чтобы операция функционировала как настоящая, надёжная составляющая в больших квантовых схемах.

Алмазные платы, работающие в унисон

Исследователи используют дефекты в алмазе, известные как центры вакансий азота, которые содержат спин электрона, взаимодействующий с соседними ядрами углерода-13. В каждой из двух отдельных установок, названных Алиса и Боб, спин электрона выполняет роль коммуникационного кубита, а одно ядро углерода служит долгоживущим рабочим кубитом. Микроволны управляют спинами электронов, радиоволны — одним из ядерных спинов, а точно настроенные лазерные импульсы обеспечивают инициализацию, считывание и создание запутанности с помощью фотонов, передаваемых по оптическому волокну. Напряжение на алмазных пластинах корректирует цвет излучаемых фотонов, чтобы оба узла производили неразличимый свет — требование для надёжной удалённой запутанности.

Сохранение хрупких состояний в сети

Пока два узла многократно пытаются сгенерировать запутанность, интерферируя одиночные фотоны на центральном полупрозрачном зеркале, ядерные спины должны тихо хранить квантовую информацию. На практике их фаза медленно дрейфует, потому что они слабо связаны с активными электронными спинами. Чтобы это компенсировать, команда разрабатывает стратегии управления, специфичные для каждого узла. В одном узле прямо управляют ядерным спином радиочастотными импульсами, чередуя их с динамическим развязыванием электрона, в то время как в другом узле формируют последовательности микроволновых импульсов так, чтобы движение электрона накладывало точные корректирующие фазы на ядро. Отслеживая число попыток создать запутанность и корректируя фазы в реальном времени, они сохраняют когерентность рабочей частицы в течение сотен попыток — достаточно долго, чтобы завершить нелокальные операции.

Сборка и тестирование сетевых квантовых состояний

Вооружённые этими инструментами, команда сначала собирает четырёхкубитное состояние Гринбергера—Хорна—Зайлингера (GHZ), распределённое по обоим узлам. Это сильнокоррелированное состояние связывает два электронных спина и два ядерных спина в единый совместный квантовый ресурс. Важно, что они принимают каждый результат измерения и применяют корректировки на лету, а не отбирают лишь успешные прогоны. Измеренное состояние соответствует детальным моделям и достигает точности, достаточной для подтверждения подлинной четырёхчастичной запутанности между узлами. Этот эксперимент проверяет всю цепочку: локальное управление, генерацию удалённой запутанности, измерения в середине схемы и обработку результатов в реальном времени.

Квантовая логика, перепрыгивающая между машинами

Наконец, авторы демонстрируют главную цель: вентиль controlled-NOT (CNOT) между двумя удалёнными ядерными рабочими кубитами. Используя схему на основе телепортации, они преобразуют общую запутанность спинов электронов и локальные операции в эффективный вентиль, который инвертирует ядерный спин Боба только тогда, когда у Алисы спин находится в определённом состоянии. Они проверяют классическую таблицу истинности, готовя определённые входные состояния и проверяя выходы, и подтверждают подлинно квантовое поведение, создавая запутанность между удалёнными рабочими кубитами с помощью одного применения телепортированного вентиля. Наблюдаемые фиделити хорошо согласуются с моделями ошибок, основанными на несовершенных импульсах, ограниченной неразличимости фотонов и периодических ошибках при считывании в середине схемы.

Что это значит для квантового будущего

Для неспециалиста ключевое сообщение таково: два крошечных квантовых процессора, разнесённые в пространстве и соединённые светом, теперь могут выполнять общую логическую операцию в полностью безусловном режиме. Вместо того чтобы лишь делиться запутанностью и затем тщательно отбирать лучшие прогоны, система принимает все результаты и корректирует их на лету — это важно для масштабирования. Хотя уровень ошибок ещё требует улучшения, показанные здесь методы указывают путь к более крупным распределённым квантовым компьютерам, более сложным сетевым протоколам и в конечном счёте к работоспособному квантовому интернету, где многие маленькие устройства сотрудничают как единое целое.

Цитирование: Iuliano, M., Demetriou, N., van Ommen, H.B. et al. Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers. Nat Commun 17, 4694 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72818-6

Ключевые слова: квантовые сети, телепортированные квантовые вентилы, центры вакансий азота, распределённые квантовые вычисления, удалённая запутанность