实现量子处理器的完全连接的网络需要具有分布量子纠缠的能力。 对于远处的处理节点，这可以通过生成和捕获空间纠缠的迭代光子来实现。在这项工作中，研究人员演示了使用直接耦合到波导的超导跨子量子位确定性地产生这种光子的过程。特别是，研究人员生成了两个光子N00N状态，并证明了所发射光子的状态和空间纠缠可通过qubit频率进行调整。  使用正交幅度检测，研究人员重建了光子模式的矩和相关性，并证明了84％的状态准备保真度。

相关论文以题为     “Generating spatially entangled itinerant photons with waveguide quantum electrodynamics”   与北京时间2020年10月07号发表在     《Science Advances》   上。

 量子计算硬件的模块化架构最近提出了以实现鲁棒大型量子信息处理。 但是，这样的体系结构依赖于在单独的和通常是非本地的处理节点之间相干地传递量子信息的手段。通过有效地在整个量子网络中分布纠缠，可以使用空间纠缠的迭代光子来实现此目的。  常规方法用于光学系统通常结合使用自发参量下转换带分束器的阵列和光检测器用于后选择。但是，这些方法的随机性限制了它们在量子信息处理应用中的效用。

 与超导电路最近的进展已经建立了路径朝向实现能够     存储，通信，和处理量子信息    。 这些工作经常调用腔量子电动力学（cQED）体系结构，其中腔保护节点中的量子比特免于退相干，从而实现生成任意量子态所需的高保真控制。为了链接远处的节点，该量子信息必须沿着由模式的连续体（或准连续体）组成的总线传播。为此，研究人员将量子位牢固地耦合到波导，以使存储在量子位中的激发作为迭代光子迅速释放。波导量子电动力学（wQED）描述了这种系统。在wQED中进入强耦合机制使量子位能够充当高质量的量子发射器。  更普遍地，超导电路已被用于从经典驱动器中产生各种各样的非经典的迭代光子，例如那些具有相关性和频率纠缠的。

    设备描述和光子生成协议  

如图1A所示，该测试设备由三个通量可调的transmon量子位组成，这些位元电容性耦合至一条公共的50欧姆传输线（电磁共面波导）。  研究人员考虑涉及两个量子位的结构中，用作光子发射器，在空间上通过分离Δ X =3λ/ 4和Δ X =λ/ 2。有效间隔由该量子位的频率ω（控制20）经由对应的波长λ=2π v /ω，其中，v是光在波导的速度。 设置量子比特Q 1和Q 3的跃迁频率到ω/2π= 4.85 GHz的对应于Δ的间距X =3λ/ 4发射极之间。中央量子比特Q 2的频率失谐了数百兆赫兹，因此可以忽略不计。  在这种配置中，量子位以γ/2π= 0.53 MHz的耦合强度耦合到共面波导。或者，为了实现的间距Δ X =λ/ 2的发射器之间的频率Q 1和Q 2被设定为ω/2π= 6.45 GHz的，其中该量子位波导耦合强度是γ/2π= 0.95兆赫，而使Q 3充分失谐，以使其可以忽略。

    图1 在wQED中生成空间相关的迭代光子。    （A）设备的伪彩色显微照片。该器件由三个独立的通量可调的超视通量子位组成，它们电容耦合至公共波导。（B）以相等的强度γ耦合到公共波导的三个量子比特的示意图。量子位Q 1和Q 3最初激发并放置在在ω/2π= 4.85 GHz的谐振，使得它们的沿波导的空间分离是Δ X =3λ/ 4。量子比特Q 2失谐于∣ω '−ω∣γ，因此可以忽略并保留在基态。下面显示了量子位发射的光子进入波导的左右传播模式的四种可能的相干路径。由于单光子路径之间的相消干涉，发射的光子的状态为两光子N00N状态。（Ç）相同的设置作为（B），除了Q 1和Q 2，现在放置在谐振ω/2π= 6.45 GHz的，使得Δ X =λ/ 2和Q 3现在失谐远。所述|11>状态长干涉这种选择Δ的X。

    测量技术和过程  

图2A显示了控制和测量原理图。首先，研究人员测量相干微波场的散射，以提取量子位参数，并校准量子位处的光子绝对功率（请参阅补充材料）。接下来，研究人员通过相互解谐来独立准备量子比特，然后将共振微波脉冲施加到传输线上。可以在Bloch球上的任何地方单独准备量子位α∣ g〉 + β∣ e〉，其中α和β是由脉冲幅度和相位决定的复数系数。然后，研究人员使用传输线左右输出的正交幅度检测来验证量子位发出的光子的状态。使用同相和正交（IQ）混合将这些光子放大并下变频为中频f d。  例如，研究人员可以在状态中准备一个失谐的量子比特（∣ g⟩ + | ë ⟩ ）/2–√，研究人员将其用于校准目的，并通过平均电压幅度来捕获发射的时间动态（图2B）。 VI / Q左/右（吨）在IQ混音器的输出中有很多记录。该量子位也可以被充分激发to| é >，如将在所需的N00N状态生成协议。  在这种情况下，发射的光子相对于真空状态∣00〉没有相干性，因此，如图2C所示，电压平均为零。

    图2 测量设置和过程。    （A）双面控制和测量链的示意图设置。量子位发出的来自光子的信号被放大并下变频为数字化之前的中间频率f d。数字化信号然后被进一步解调，并使用自定义的现场可编程门阵列（FPGA）码然后将这些值的单次测量合并到直方图中，以构建4D概率分布。（B）发射的指数时间包络与下变频频率f d = 40 MHz处的振荡叠加。（Ç）电压从初始化为一个量子位的发射| ë >。光子以随机相位发射，使得电压平均为零。

    总结  

 研究人员的结果表明，wQED体系结构支持空间纠缠微波光子的高保真度生成。 研究人员的方法是可扩展到更高阶的光子态通过加入量子位，使得更多的光子发射，并与Δ的适当的选择X以获得所需的量子干涉。还已知这些类型的光子状态可用于量子计量学中的高精度相位测量。尽管在检测器效率的电流的限制阻碍测量高阶矩，从而验证的能力所产生的高次光子的状态，近来对数分辨微波光子探测器可以解决此问题。、

 最后，通过添加直接量子位-量子位耦合，可以进一步推广这项工作中所研究类型的设备，该耦合可用于动态选择光子发射或吸收的方向。 研究人员设想了一种架构，在该架构中，量子信息和纠缠通过耦合到波导的量子比特所发射的光子之间的量子干扰而被路由和分布在整个量子网络中。  使用这项工作中概述的原理和技术生成流动光子，然后可以应用于实现互连量子网络，以进行量子通信和分布式量子计算。