Ovillkorligt teleportade kvantgrindar mellan avlägsna fasta-kroppsqubitregister

Koppla ihop kvantdatorer över avstånd

Dagens experimentella kvantdatorer är små och känsliga, men många framtida idéer förutsätter att man länkar ihop dem till en slags kvantinternet. Denna studie visar att två små diamantbaserade processorer, placerade i separata kryostater och endast kopplade via optisk fiber och klassiska ledningar, kan utföra en viktig gemensam operation som om de vore en enda maskin. Denna förmåga är en byggsten för långdistans säker kommunikation, kraftfull distribuerad beräkning och tester av kvantfysikens grundläggande principer.

En ny typ av fjärrkontroll

I vanlig databehandling är det enkelt att skicka information mellan maskiner: bitar kopieras och flyttas. Kvantenheter fungerar annorlunda eftersom avläsning av en kvantbit, eller qubit, vanligtvis förstör dess sköra tillstånd. Istället för att skicka qubitar fram och tillbaka föreslog teoretiker att man skulle ”teleportera” effekten av en kvantgrind från en nod till en annan. Grundreceptet är att först skapa intrassling mellan två avlägsna qubitar och sedan använda lokala operationer och delade mätresultat för att få en grind att verka icke-lokalt. Den centrala utmaningen är att göra detta deterministiskt, utan att kassera misslyckade försök, så att operationen beter sig som en sann, pålitlig byggsten i större kvantkretsar.

Diamantchip som spelar i samklang

Forskarna använder defekter i diamant kända som kväve‑vakanscentra, som hyser en elektronspinn som kommunicerar med närliggande kol‑13‑nukleära spinn. I vardera av de två separata uppställningarna, kallade Alice och Bob, tjänar elektronspinnen som kommunikationsqubit medan en kolkärna fungerar som en långtlevande datap-qubit. Mikrovågor styr elektronspinnen, radiovågor styr den nukleära spinnen, och fint avstämda laserpulsar hanterar initialisering, avläsning och skapandet av intrassling via fotoner skickade genom optisk fiber. En spänning över diamantchipen justerar färgen på emitterade fotoner så att båda noderna producerar omärkbart likartat ljus, ett krav för pålitlig fjärrintrassling.

Hålla sköra tillstånd vid liv under nätverksarbete

Medan de två noderna upprepade gånger försöker generera intrassling genom att interferera enstaka fotoner vid en central beam‑splitter, förväntas de nukleära spinnen tyst lagra kvantinformation. I praktiken drar deras fas långsamt iväg eftersom de är svagt kopplade till de aktiva elektronspinnen. För att motverka detta utvecklar teamet nodspecifika kontrollstrategier. En nod driver direkt sin nukleära spinn med radiofrekvenspulser vävda med dynamisk avkoppling på elektronen, medan den andra noden formar sekvenser av mikrovågspulser så att elektronens rörelse avsätter precisa korrigerande faser på kärnan. Genom att spåra hur många intrasslingsförsök som gjorts och justera faser i realtid upprätthåller de datakubiternas koherens över hundratals försök—långt nog för att slutföra de icke‑lokala operationerna.

Bygga och testa nätverkade kvanttillstånd

Utrustade med dessa verktyg sätter teamet först ihop ett fyrqubitigt Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ)-tillstånd fördelat över båda noderna. Detta starkt korrelerade tillstånd kopplar de två elektronspinnen och de två nukleära spinnen till en enda delad kvantresurs. Viktigt är att de accepterar varje mätresultat och applicerar korrigeringar direkt, istället för att plocka utbara lyckade körningar. Det mätta tillståndet överensstämmer med detaljerade simuleringar och når en fidelitet tillräckligt hög för att intyga genuin fyr‑partit intrassling mellan noderna. Detta experiment testar hela stacken: lokal kontroll, generering av fjärrintrassling, mätningar mitt i kretsen och realtids feedforward.

En kvantgrind som hoppar mellan maskiner

Slutligen demonstrerar författarna sitt huvudmål: en controlled‑NOT (CNOT)-grind mellan de två avlägsna nukleära datapqubitarna. Med hjälp av en teleportationsbaserad krets omvandlar de delad elektronspinn‑intrassling och lokala operationer till en effektiv grind som flippar Bobs nukleära spinn endast när Alices är i ett visst tillstånd. De verifierar den klassiska sannhetstabellen genom att förbereda bestämda ingångstillstånd och kontrollera utgångarna, och de bekräftar verkligt kvantbeteende genom att skapa intrassling mellan de avlägsna datapqubitarna via en enda tillämpning av den teleportade grinden. De observerade fideliteterna stämmer väl överens med felmodeller baserade på ofullkomliga pulser, begränsad foton‑omärklighet och sporadiska misstag i mätningar mitt i kretsen.

Vad detta betyder för kvantframtiden

För en icke‑specialist är huvudbudskapet att två små kvantprocessorer, separerade i rummet och förbundna med ljus, nu kan utföra en gemensam logisk operation på ett fullt ovillkorligt sätt. Istället för att bara dela intrassling och sedan varsamt välja de bästa körningarna, accepterar systemet alla utfall och korrigerar dem i farten, vilket är avgörande för skalning. Även om felnivåerna fortfarande behöver förbättras pekar teknikerna som visas här mot större distribuerade kvantdatorer, mer komplexa nätverksprotokoll och så småningom ett funktionellt kvantinternet där många små enheter samarbetar som en enda.

Citering: 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

Nyckelord: kvantnätverk, teleportade kvantgrindar, kväve‑vakanscentra, distribuerad kvantberäkning, avlägsen intrassling