引言

2025年3月，美国麻省理工学院（MIT）的跨学科研究团队在《自然·物理》期刊上发表了一项突破性成果。由电子研究实验室（RLE）、电气工程与计算机科学系（EECS）、林肯实验室等机构的科学家合作，他们首次利用“手性量子互连”技术，在相隔6厘米的两个超导模块间实现了确定性远程纠缠，并成功生成了保真度达62%的四量子比特W态。这项研究为构建模块化、可扩展的量子计算机网络铺平了道路，被同行评价为“量子互联技术迈向实用化的关键一步”。

第一章 研究背景：量子互联的困境与曙光

1.量子网络：未来计算的基石

现代计算机通过电缆和光纤连接处理器，而量子计算机需要更特殊的“纽带”——量子网络。由于量子态极其脆弱，传统的通信方式会破坏量子叠加和纠缠特性。因此，科学家提出“量子互联”概念：通过光子、声子等媒介，在远距离量子处理器之间传递量子信息，并建立纠缠态。这种网络不仅能扩展计算规模，还能支持量子密钥分发、分布式量子计算等应用。

2.现有技术的瓶颈

当前主流量子互联方案各有局限：

光学光子：光纤传输虽距离远，但光子与量子比特（如离子阱、金刚石空位）的耦合效率低，且需复杂的光学器件。

微波光子：超导量子芯片天然适合微波通信，但现有方案依赖谐振腔或单向器件（如环行器）。前者传输距离受限，后者引入额外损耗且无法灵活调整方向。

中性原子穿梭：通过激光移动原子阵列中的原子实现连接，但操作速度慢，难以规模化。

更关键的是，这些技术普遍面临“扩展性诅咒”——随着模块数量增加，连接路径复杂度指数级上升，错误率累积导致系统崩溃。

3.量子电动力学的突破

2010年代，波导量子电动力学（wQED）技术兴起。其核心是将量子比特强耦合到一维波导中，让光子在其中自由传播。这种结构天然支持远距离通信，但传统wQED存在致命缺陷：双向传播导致信号串扰。例如，当模块A向模块B发送光子时，部分光子可能反向散射，干扰其他模块。

4.手性耦合：方向控制的钥匙

2017年，科学家在光学领域发现“手性耦合”现象——量子比特与波导的相互作用具有方向选择性，就像单向行驶的车道。例如，特定偏振的光子只能在光纤中单向传播。这一特性为量子互联带来新思路：通过设计手性波导，光子可按需定向发射和吸收，避免串扰。

然而，在微波波段实现手性耦合面临巨大挑战。超导量子比特的微波光子波长较长（厘米级），传统光学方案（如自旋-偏振锁定）无法直接移植。MIT团队另辟蹊径，提出基于量子干涉的“合成手性”方案：通过精确控制两个量子比特的纠缠态，让它们协同发射光子，利用波导中的相长干涉定向传输信号。

第二章 研究内容：构建量子高速公路

1.实验装置：模块化量子节点

研究团队设计了两套完全相同的超导模块（Module A/B），每个模块包含：

数据量子比特（粉色）：用于存储和处理量子信息，通过可调耦合器与波导隔离，避免直接耗散。

波导量子比特（橙色）：专用于光子发射/吸收，直接耦合到共享波导。

可调耦合器（蓝色）：通过磁通调控实现量子比特间的动态连接（图1）。

两模块通过6厘米长的铌钛超导电缆连接，构成“量子高速公路”。电缆两端配备测量装置，可实时监测光子传播。

图1（a）模块内部结构；（b）实验实物图；（c）未来扩展示意图。

2.手性发射协议：量子干涉定向输运

关键突破：传统方案依赖物理结构（如环行器）强制单向传播，而MIT团队通过量子态设计实现方向控制。

每个模块的两个波导量子比特（Q1/Q2）相距λ/4（λ为微波波长）。当它们被制备到特定纠缠态时，衰变到波导的光子会发生相长/相消干涉：

若Q1/Q2处于态(|10＞+e^{iπ/2}|01＞)/√2，光子向右传播；

若处于态(|10＞+e^{-iπ/2}|01＞)/√2，光子向左传播。

这相当于用量子比特的“合唱”取代了机械式单向阀门。

3.强化学习优化：让AI设计最佳脉冲

尽管理论完美，实验面临脉冲畸变、阻抗失配等现实问题。例如：

控制线路的寄生电容导致脉冲波形失真；

波导中的反射会破坏吸收效率。

研究团队引入模型无关的强化学习（RL）算法：让人工智能通过数万次试错，自主优化发射/吸收脉冲的形状和时序。最终，吸收效率从理论值99%提升至实测64%，接近系统损耗的理论极限。

第三章 实验结果：跨越空间的量子握手

团队完成三项关键验证：

定向传输效率：光子从左到右和从右到左的传输效率分别为63%和64%，主要损耗来自电缆衰减（26.3%）和量子比特退相干。

贝尔态保真度：吸收后的数据量子比特保真度达60.1%（左→右）和61.2%（右→左），远超经典阈值（50%）。

四比特W态生成：在发射中途暂停，使光子“悬停”在波导中，最终在两模块间生成|W＞=(|0001＞±i|0010＞+e^{ikd}|0100＞±i|1000)/2态，保真度62.4%。

终章 总结与展望：量子互联网的拼图

1.技术意义

这项研究首次实现了三大突破：

距离无关性：光子传播方向由量子态设计决定，与模块间距无关，为任意规模扩展奠定基础。

全互联架构：通过动态调整波导量子比特频率，模块可在发射、吸收、透明三种模式间切换，支持多对节点并行通信。

高兼容性：方案可直接整合到现有超导量子芯片，无需复杂外设。

2.未来方向

损耗压制：改用超导倒装焊（bump bond）连接模块，预计将吸收效率提升至90%以上；

多模块扩展：在波导上排列数十个模块，探索手性驱动下的多体纠缠相变；

拓扑光量子：结合手性波导与非平庸能带结构，实现受拓扑保护的光子传输。

正如论文通讯作者William Oliver教授所言：“这不仅是两个模块的对话，更是量子网络通用语言的开端。”随着低损耗互连、纠错编码等技术的成熟，人类距离真正可扩展的量子计算机又近了一步。

延伸思考：当量子模块像乐高积木般自由组合，未来的数据中心或许会变成“量子枢纽站”——每一块芯片都通过看不见的微波光子，与全球节点共享算力。而这项研究，正是搭建这座大厦的第一块基石。

参考文献：

Almanakly, A., Yankelevich, B., Hays, M. et al. Deterministic remote entanglement using a chiral quantum interconnect. Nat. Phys. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41567-025-02811-1

撰稿 | 陈炎霖

指导 | 刘玉龙