de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Duke Quantum Center und von IonQ haben die verteilte Erzeugung eines Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustands (GHZ-Zustand) unter Verwendung einzelner gefangener Ionen in einem Quantennetzwerk mit drei Knoten demonstriert. Der Versuchsaufbau umfasst drei räumlich getrennte Hardwaremodule im Abstand von etwa 2 Metern, die über 3 Meter lange Einmodenfasern mit einem zentralisierten Freiraum-GHZ-Generator verbunden sind. Dieses Netzwerk realisiert eine entfernte Drei-Qubit-Verschränkung ohne lokale Zwei-Qubit-Gatter oder Nachauswahlprotokolle und etabliert Atomzustandstreuen von 0,841(17) bis 0,881(17) bei einer Verschränkungserzeugungsrate von 0,095(5) s−1.
Jeder Hardwareknoten isoliert ein einzelnes 138Ba+ (Barium)-Ionen-Qubit, das in einer Vier-Stab-Paul-Falle gefangen ist. Ein statisches Magnetfeld von 4,2446(2) G hebt die Grundzustandsentartung auf und definiert die Zeeman-Qubit-Niveaus ∣↓⟩ und ∣↑⟩ mit einer Aufspaltungsfrequenz von ω0=2π×11,8964(5) MHz. Ein 3-Pikosekunden-Laserpuls regt die Ionen gleichzeitig an und löst eine spontane Emissionssequenz bei 493 nm aus, wodurch ein verschränkter Ionen-Photonen-Zustand mit einer durchschnittlichen Treue von 0,983(1) erzeugt wird. Die emittierten einzelnen Photonen werden über das Fasernetzwerk zum zentralisierten Generator übertragen, wo ein Wellenplattenarray ihre Polarisation auf eine gemeinsame horizontale/vertikale Basis ausrichtet, bevor sie an einem Polarisationsstrahlteiler paarweise interferieren. Eine Dreifach-Koinzidenzdetektion an sechs Lawinenphotodioden löscht die „Welcher-Weg"-Information der Photonen und verkündet den verschränkten Zustand der Zielatomspeicher.
Eine Analyse der Systembetriebsbeschränkungen zeigt, dass die Hauptquellen der Zustandsuntreue Polarisationsmischung (0,037) und räumliche Modenfehlanpassung (<0,03) sind. Die durch Photonenrückstoß innerhalb eines 50-Nanosekunden-Verkündungsfensters verursachte Bewegungsdekonärenz trägt zusätzliche 0,03 Untreue bei, während die Zustandsvorbereitungs- und Messkonfiguration (SPAM) eine Fehlerrate von 0,015 einführt. Die Netto-Ende-zu-Ende-Sammelwahrscheinlichkeit einzelner Photonen (pi) der drei Knoten liegt zwischen 0,0074 und 0,0145. Diese Effizienzbeschränkungen werden durch Faserkopplungsdrift und kumulatives Rückstoßheizen in den sich wiederholenden 1-Mikrosekunden-Verschränkungszyklen bestimmt, die derzeit regelmäßige Unterbrechungen zur Dopplerkühlung erfordern.
Dieses Drei-Knoten-Netzwerk wird verwendet, um einen deterministischen Test der Quanten-Nichtlokalität durch Messung des Mermin-Parameters 3,203(45) durchzuführen, der die klassische lokale verborgene Variable-Obergrenze ≤2 um 27 Standardabweichungen verletzt. Die Qubit-Zustände werden analysiert, indem die ∣↓⟩-Zustandsbesetzung durch einen 1762 nm-Laser-π-Puls auf das Ziel-2D5/2-Niveau übertragen und anschließend unter kombinierter Beleuchtung bei 493 nm und 650 nm fluoreszenzbildgebend gemessen wird. Aufgrund der hohen Zustandsausleseeffizienz (>99,7 %) gefangener Ionen schließt das Experiment die Detektionslücke. Dies stellt eine Verifikation der Mehrknoten-Mermin-Ungleichungsverletzung unter Verwendung entfernter, einzeln adressierbarer Atomspeicher (anstelle reiner Photonen- oder Ensemble-Medien) dar.
Die Realisierung einer vollständig verteilten Drei-Qubit-Verschränkung skizziert einen technischen Weg für modulare Quantencomputersysteme. Dieses Infrastrukturmodell versucht nicht, die Verarbeitungskapazität innerhalb einer einzelnen monolithischen Vakuumkammer zu erweitern, sondern verbindet verschiedene lokalisierte Quantenverarbeitungsknoten über photonische Verbindungen, um die Rechenlast zu verteilen. Die ereignisbereite Erzeugung dieser verteilten Zustände schafft eine grundlegende Plattform für Mehrparteien-Kryptographieprotokolle, sichere Quantengeheimnisweitergabe und verteilte Quantensensornetzwerke unter Verwendung verbundener Atomknoten.
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