研究背景
近期的努力成功地实现了量子网络，在这些网络中，量子信息可以在多个节点之间存储、传输和处理，且实现了大都市规模的网络。一个关键的挑战是增强单个节点的能力，为多个量子比特提供精确和稳健的控制。
研究内容
在此，清华大学交叉信息研究院段路明院士团队的邓东灵/侯攀宇课题组在Nature Physics期刊上发表了题为「Hybrid entanglement and bit-flip error correction in a scalable quantum network node」的最新论文该团队展示了基于钻石颜色中心的混合量子节点的相干控制。研究者纠缠了三种类型的量子比特：电子自旋作为接口量子比特，具有长记忆时间的核自旋，以及飞行光子量子比特。这些量子比特的频率跨越了从光学到射频的三个不同领域。
通过引入另外两个核自旋，研究者使用重复编码将三个存储量子比特编码为一个逻辑态，并将这个逻辑量子比特与光子量子比特纠缠。研究者通过电子接口量子比特反复读取存储量子比特的错误综合信号，然后应用实时反馈操作来纠正比特翻转错误。研究者将该协议执行了最多12轮，并展示了在纠正后的逻辑-光子联合态比未纠正时的改善。研究者的结果展示了量子中继器在实现全功能量子网络中所需的几个关键功能的可行性。
图文导读
1. 实验首次在混合量子节点中实现了电子自旋、核自旋和光子三种不同类型量子比特的纠缠，得到了保真度超过0.83的格林伯格-霍恩-泽林格型（GHZ）状态。
2. 实验通过引入额外的核自旋并使用重复编码对存储量子比特进行保护，成功将三个存储量子比特编码为逻辑态，并将该逻辑量子比特与光子量子比特纠缠，验证了逻辑量子比特与光子量子比特之间的纠缠。
3. 实验通过电子自旋接口量子比特反复读取存储量子比特的错误综合信号，并应用实时反馈操作纠正比特翻转错误，展示了量子错误纠正的有效性。
4. 实验证明，在最多12轮的协议执行过程中，纠正后的逻辑-光子联合态的量子比特数比未纠正时有显著提升，展示了量子错误纠正技术在量子网络中的潜力。
图1 | 大规模量子网络中，混合多量子比特节点。
图2 | 混合Greenberger–Horne-Zeilinger-type，GHZ态的产生和表征。
图3 | 混合网络节点中，本地存储器量子位的重复纠错和错误检测。
结论展望
本文混合量子比特的纠缠能够实现跨越不同频率领域的量子信息传输，这为未来量子通信和量子计算的跨平台互操作性奠定了基础。其次，结合量子错误纠正技术，特别是比特翻转错误的主动纠正方法，展示了在量子网络中维护量子信息完整性的重要性，并为实现容错量子计算提供了前瞻性思路。通过技术升级和量子最优控制方法的改进，错误纠正的效率和精度有望进一步提升。此外，错误检测技术在提高网络性能的稳定性方面也具有潜力，尤其在短期应用中，可能为量子网络的实际部署提供更多可行方案。最后，本文的工作不仅推动了基于钻石颜色中心的量子节点发展，也为其他平台（如被捕获离子和原子）中混合量子系统的构建提供了宝贵的经验和理论支持，预示着量子网络的广泛应用前景。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-025-02831-x
