在远程固态量子比特寄存器之间无条件传送的量子门

跨越距离连接量子计算机

目前的实验量子计算机规模小且脆弱，但许多未来设想依赖于将它们连接成一种量子互联网。本研究表明，两台基于金刚石的小型处理器，分别置于各自的低温箱中，仅通过光纤和经典电线相连，也能执行一个关键的联合操作，仿佛它们是一台机器。此能力是长距离安全通信、强大的分布式计算以及检验量子物理基础问题的构建模块。

一种新的远程控制方式

在经典计算中，在机器之间发送信息很直接：比特可以被复制和移动。量子设备不同，因为读取一个量子位（qubit）通常会破坏其脆弱的态。理论工作提出，不是来回传输量子比特，而是“传送”量子门的作用从一个节点到另一个节点。基本方法是先在两处远程量子比特之间建立纠缠，然后利用局域操作和共享的测量结果使得一个门以非局域方式生效。关键挑战在于要做到确定性——不丢弃失败的实验轮次——以便该操作能像更大量子电路中的真正、可靠的构建块那样工作。

协同工作的金刚石芯片

研究人员利用金刚石中的缺陷——氮空位中心，该处承载一个电子自旋并与附近的碳-13核自旋相耦合。在称为 Alice 和 Bob 的两个独立装置中，电子自旋作为通信比特，而一个碳核作为寿命较长的数据比特。微波用于控制电子自旋，射频用于驱动其中一个核自旋，精细调谐的激光脉冲用于初始化、读出以及通过光子经光纤发送来创建纠缠。施加在金刚石芯片上的电压可调节发射光子的频色，使两个节点产生无法区分的光，这是可靠远程纠缠所必需的条件。

在联网时保护脆弱量子态

当两节点反复尝试通过在中央分束器处使单光子发生干涉来生成纠缠时，核自旋需要静默地存储量子信息。实际上，它们的相位会缓慢漂移，因为它们与活跃的电子自旋存在弱耦合。为应对这一点，团队开发了针对各节点的控制策略。一个节点直接用射频脉冲驱动其核自旋，并在电子自旋上交错施加动态解耦序列；另一个节点则设计微波脉冲序列，使电子自旋的演化在核上刻印出精确的修正相位。通过实时跟踪已发生的纠缠尝试次数并调整相位，他们在数百次尝试中维持了数据比特的相干性，足以完成非局域操作。

构建与测试网络化的量子态

借助这些工具，团队首先在两节点之间组装了一个四比特的格林伯格—霍尔—蔡林格（GHZ）态。这个高度相关的态将两个电子自旋和两个核自旋连接成一个共享的量子资源。重要的是，他们接受每一次测量结果并即时应用修正，而不是挑选成功的运行。测得的态与详细模拟相符，达到了足以证明节点之间真正四方纠缠的保真度。该实验对整个体系进行了压力测试：局域控制、远程纠缠生成、中间电路测量以及实时前馈。

在机器间跳跃的量子门

最终，作者展示了他们的主要目标：在两个远程核数据比特之间实现一个受控非门（CNOT）。利用基于传送的电路，他们将共享的电子自旋纠缠和局域操作转化为一个等效的门——该门只有在 Alice 的核处于特定态时才翻转 Bob 的核自旋。他们通过制备确定的输入态并检查输出验证了经典真值表，并通过一次传送门的应用在远距数据比特之间生成纠缠来确认真正的量子行为。观测到的保真度与基于不完美脉冲、有限的光子不可区分性以及中间读出偶发错误的误差模型一致。

这对量子未来意味着什么

对非专业读者而言，关键信息是：两个空间分隔并由光连接的微小量子处理器现在可以以完全无条件的方式执行共享逻辑操作。系统接受所有测量结果并即时纠正，而不是仅分享纠缠后精挑细选成功的运行——这是向规模化推进的要点。尽管误差率仍需改进，这里展示的技术指向更大的分布式量子计算机、更复杂的网络协议，以及最终一个由许多小型设备协作组成的功能性量子互联网。

引用: 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

关键词: 量子网络, 传送量子门, 氮空位中心, 分布式量子计算, 远程纠缠