有效地生成远程量子节点之间的纠缠是保证量子通信安全的关键一步。在过去的研究中，纠缠常常使用许多不同的概率方案来实现。最近，一些研究也利用基于超导量子位元的方法，提供了确定性远端纠缠的证明。尽管如此，在超导量子通信体系结构中对贝尔不等式(一种强量子相关性度量)的确定性违反，迄今尚未得到证实。芝加哥大学一个研究小组用远程连接的超导量子位证明了贝尔不等式的违反。

其研究成果发表在《自然物理》(Nature Physics)上，介绍了一种在超导系统中实现这一基准测试结果的简单而稳定的体系结构。开展这项研究的研究人员之一安德鲁·克莱兰(Andrew Cleland)说：在开发量子力学可以用于信息处理(如通信、计算等)和传感的实验系统方面，有很多兴趣和活动。量子信息系统的核心是量子位，它的独特性来自于可以存储在其中的量子态，以及可以使用多个量子位存储的更复杂的量子态。我们感兴趣的是探索量子信息和量子状态的传输——量子通信的基础。

量子态，以及其中存储的信息，都是非常微妙，远比经典态和经典存储的信息要微妙得多。虽然理论上有办法修正量子态的误差，但一般只能修正很小的误差；因此，量子态通信需要非常高的精度。迄今为止，量子态的高保真传输是通过有限的几种方法实现。研究人员想看看是否能利用现有一些最好的量子位元，超导量子位元，以及将超导量子位元与通讯(传输)线路耦合的最好工具，来证明我们能以非常高的精度(即保真度)传输量子态。

在量子物理学中，检验某一类量子态的“黄金标准”是贝尔不等式。从本质上讲，只有在量子态准备好、通信好和测量精度高的情况下，量子态特性的一组特定测量值(通常写为“S”)才可能超过经典的限制值2。在准备、传输或测量量子态时所犯的错误，往往会使量子态变得更经典，而且很难超过经典的极限。超过这个极限被称为违反贝尔不等式，是‘量子性’的证明。这就是我们要实现的测量，通过非常精确地在两个量子位元之间产生、传输和捕获量子信息来测量量子态的S。

幸运的是，科学家们做到了！在实验中，克莱兰和同事使用了两个超导量子位元，它们通过一条大约1米长的传输线相互连接。量子信息是通过微波(类似于无线电信号)沿着这条线传输，其频率与手机通讯的频率相似。克莱兰说：非常重要的是，我们还在每一个量子位元和线路之间安装了电控‘耦合器’。这些耦合器非常重要，因为它们允许我们利用经典电信号，非常快速地控制量子位元与线路的耦合。

这些电控耦合器是研究人员实验的一个关键组成部分，因为它们使耦合器能够非常精确地及时“成形”耦合器。这些耦合器确保了携带量子信息的微波以正确的方式在两个量子位元之间传输。这最终确保量子信息的发送和接收误差最小。实验表明，非常精确的量子信息可以沿着相当长的通信路径发送，在实验中，这条路径的长度接近一米。我们使用的方法适用于任何长度的线。这证明了为这种几乎没有错误的传输所制定的理论方法是正确的，并且对未来的量子通信系统有很大希望。

克莱兰和同事进行的这项研究介绍了一种简单而有效的方法，利用远程超导量子位元来实现对贝尔不等式的违反。然而，由于他们实验中使用的量子位元与微波通讯，该方法只能在非常低的温度下工作。为了通过空气传递量子信息，研究人员需要开发新的技术，利用红外线或可见光也能获得类似的结果。研究人员现在正计划做这个实验的更复杂版本，使用更多的量子位元和更多传输线，来测试更先进的量子通讯和量子纠错理论。也在开发方法，试图用红外线做同样的事情，这样信号就可以通过光纤或太空发送。

博科园-科学科普｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli/Phys

参考期刊文献:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0507-7

博科园-传递宇宙科学之美

我们小程序看更多：博科园