光量子网络互联的分布式量子计算实现——基于离子阱模块的确定性门传输突破

研究人员通过光量子网络连接两个离子阱模块，首次实现了确定性量子门传输(QGT)的分布式量子计算(DQC)架构。该研究利用88Sr+网络量子比特(QN)和43Ca+电路量子比特(QC)的混合体系，成功演示了保真度达86%的非局域CZ门传输，并首次运行了包含多个非局域双量子比特门的Grover搜索算法（成功率71%），为大规模量子计算提供了可扩展解决方案。

　　

量子计算被誉为下一代计算技术的革命性突破，但在实现大规模量子处理器时面临严峻挑战：如何在增加量子比特数量的同时保持精确控制和互联性？传统单模块架构面临量子比特间连接受限、操控复杂度指数增长等问题。分布式量子计算(DQC)架构将大型量子电路分解到多个互联模块中执行，但关键瓶颈在于如何实现模块间的高保真度量子门操作。

牛津大学的研究团队在《Nature》发表突破性成果，通过光量子网络连接两个相距2米的离子阱模块，首次实现了确定性量子门传输(QGT)的完整演示。研究采用⁸⁸Sr⁺离子作为网络量子比特(Q_N)实现光子接口，⁴³Ca⁺离子作为长寿命电路量子比特(Q_C)，构建了包含网络和计算单元的混合量子处理器。通过模块间预共享的纠缠态和本地操作，实现了保真度86.2(9)%的非局域CZ门传输，并成功运行了首个包含多个非局域门的分布式量子算法。

关键技术包括：1) 双模块离子阱系统（含⁸⁸Sr⁺/⁴³Ca⁺混合离子晶体）；2) 基于光子干涉的远程纠缠生成（保真度96.89%）；3) 网络-电路量子比特间的混合物种CZ门（保真度97-98%）；4) 量子态在Q_C与辅助比特Q_X间的相干转移技术（错误率<0.4%）；5) 基于测量反馈的确定性门传输协议。

【Teleportation of a CZ gate】

研究团队在两个模块间建立了基于|Ψ⁺?= (|10?+|01?)/√2纠缠态的量子通道。通过本地CZ门操作和实时测量反馈，将双量子比特CZ门从理论协议转化为实验实现。量子过程层析显示，传输后的CZ门过程矩阵与理想情况相符度达86.2(9)%，验证了QGT的核心技术可行性。

【DQC】

通过组合多个QGT实例，团队实现了通用双量子比特门的分布式执行：iSWAP门（2次QGT，保真度70%）和SWAP门（3次QGT，保真度64%）。特别重要的是首次演示了分布式Grover搜索算法，通过两次QGT分别实现标记Oracle和扩散操作，平均成功率71(1)%，验证了DQC架构执行复杂算法的能力。

研究结论指出，该工作首次完整实现了分布式量子计算的三个关键要素：确定性门传输、多门级联操作和算法执行。误差分析表明主要误差源来自本地操作（2.4%）和纠缠生成（3.11%），通过采用已达99.8%保真度的混合物种门技术可进一步提升性能。这种架构的光子互联特性使其可扩展至不同量子平台（如超导量子比特、NV色心等），通过量子中继技术实现长距离分布式计算。研究为构建模块化量子计算机提供了可行路径，同时为未来量子互联网中的分布式算法执行奠定了基础。