本篇研究来自北京计算科学研究中心薛鹏课题组。基于量子行走，本文介绍了一种通用量子路由器。按照目标位置，控制硬币抛掷，量子态可从单一位置确定性的传输到多个位置的相干叠加。在线性光学系统中，实验演示了双光子纠缠态确定性地传输到二十五个位置的相干叠加。这一量子路由器具有高效率和确定性的优点，是迄今为止开发的最高效的光量子路由器，可应用于构建量子网络。
｜文章介绍｜
Demonstration of a photonic router via quantum walks
Huixia Gao（高慧霞）, Kunkun Wang（王坤坤）, Dengke Qu（曲登科）, Quan Lin（林泉） and Peng Xue（薛鹏）
通讯作者：
■ 薛鹏，北京计算科学研究中心DOI：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/acd270
研究背景：
在量子信息处理中，量子计算和量子通信展现出巨大的优势，而构建量子网络，实现多节点量子计算及量子通信更是备受关注。在量子网络的构建中，通过量子路由，实现多节点间的相干连接尤为关键。但不同于经典的路由器，量子路由器的实现具有极高的挑战性。这不仅是因为量子态的脆弱性导致确定性的量子路由方案不易实现，还由于在不破坏量子态的前提下，可控的传输量子态到多个位置的相干叠加尤为困难。而在量子行走中，存在多个可控自由度，行走者携带硬币态可从某一位置出发传输到多个位置的相干叠加。基于这一优势，本文旨在利用量子行走，探索一种可控、可扩展的确定性量子路由器的实现方案，并实验证明其路由的高度可控性和高效性。
研究内容：
量子路由器需要满足五个标准：（1）量子态可从一端输入，从任意位置输出；（2）输入和输出的量子态需保持一致；（3）输出端，量子态可存在于多个不同位置的相干叠加；（4）不存在后选择过程；（5）耗费资源越少，路由器越好。针对这五个标准，本文基于离散时间量子行走，提出一种通用量子路由器实现方案。不同于以往量子路由方案中采用控制量子比特，该方案将传输位置控制信息编码到硬币抛掷操作，行走者携带硬币态可确定性的从单一位置出发，可控的传输到多个不同位置的相干叠加。该方案不仅可以传输单量子比特态，还可以应用于实现多量子比特纠缠态的传输；且在传输过程中，满足上述五项标准，实现通用量子路由器。在此基础上，利用线性光学系统，该工作搭建了迄今为止最高效的光量子路由器。通过编码待传输纠缠态于双光子偏振态，设计量子行走实验实现装置，确定性的实现了传输量子纠缠态到二十五个位置的相干叠加。实验还通过控制硬币抛掷，实现了按需纠缠态的相干传输，通过量子态层析及量子过程层析技术，证明了传输前后量子态的不变性。该方案不仅能够应用于线性光学系统，也可应用于其他诸如超导量子线路、光波导及离子阱等系统，为实现量子网络提供有效工具。
｜作者介绍｜
薛鹏 教授
北京计算科学研究中心
● 薛鹏，北京计算科学研究中心教授。在国际顶级学术期刊包括：Nature Physics, Physical Review Letters, Nature Communications等以第一/通信作者发表学术论文130余篇。入选江苏省六大人才高峰（2016），江苏省杰出青年基金（2016），国家杰出青年科学基金（2020）。获得2021年度王大珩光学奖中青年科技人员奖，2022年度中国光学学会光学科技奖一等奖（第一完成人）。
