牛津大学 Lucas 组 2025 年 2 月在 Nature 638 发表首个跨量子网络的确定性量子门传送(QGT):两个相距约 2 米的离子阱模块之间,把 CZ 门"传"到远端电路比特上,平均保真度 86.1%。2026 年 9 月,同一平台进一步实现首次分布式量子纠错——跨模块的远程稳定子测量、实时检错与前馈纠错。这两步共同给出"分机架模块化容错量子计算"的硬件原语。

量子门传送(QGT)机制

光互连双模块分布式量子计算架构
图:分布式量子计算架构——两个离子阱模块经光网络互连,每模块含网络比特(⁸⁸Sr⁺)与电路比特(⁴³Ca⁺),heralded 光子纠缠加实时经典链路构成传送通道(来源:QE356)

每个模块装两种离子:⁸⁸Sr⁺ 作网络比特(与光子纠缠),⁴³Ca⁺ 作电路比特(承载计算),另带辅助比特。QGT 把”门”拆成本地操作加经典通信Main et al. 2025 (Nature):

  1. 两模块的网络比特经 heralded 光子干涉制备 Bell 对(成功的标志是两侧各探测到一个光子);
  2. 各模块本地 CZ 把电路比特的奇偶映射到网络比特(经辅助比特 中介);
  3. 中途测量网络比特,测量结果经实时 TTL 经典链路交换;
  4. 依交换结果对两侧电路比特施加本地前馈 ——门作用在电路上,消耗的是纠缠。

由于协议只依赖”能产生远程 Bell 对”这一抽象信道,与物理实现无关,该方案对超导(微波光子)、中性原子等平台通用。门传送的线路级理论见teleportation-gates。

CZ 传送协议与过程层析
图:CZ 门传送协议的分步线路与过程层析——本地 CZ 经辅助比特把奇偶映射到网络比特,测量结果经经典链路交换后决定本地前馈(来源:QE356)

关键数字:模块间距 ~2 m;CZ 传送平均保真度 86.1(9)%;首个含多个非局域两比特门的分布式算法(Grover 搜索)成功率 71%。

为什么能做多非局域门电路

此前的跨模块门实验(Wan et al. 2020,QCCD 芯片内 840 µm)卡在:生成远程纠缠期间,电路比特没人看护就退相干。牛津方案的解法是物种分工:纠缠生成尝试期间,电路比特存放在 Ca⁺ 长寿命基态(Ramsey 实验证实不受影响),iSWAP/SWAP 门折成 2/3 次 QGT 级联即可按需重排逻辑。这是”含多个非局域门的分布式电路”第一次跑通。

演进链

年份里程碑论文
2018同一器件内两腔间确定性门传送Nature 561(arXiv:1801.05283)
2020QCCD 芯片内 840 µm 远程门——
2021物理比特传送到逻辑码空间PNAS(arXiv:2009.06242)
2025跨光学网络确定性 QGT(~2 m)Nature 638(arXiv:2407.00835)
2026分布式量子纠错arXiv:2609.13065

锚点词条:门传送理论见teleportation-gates,传送编码态的码切换视角见lattice-surgery,编年定位见logical-records-timeline。2018 年 Chou 等的 Yale/IBM 实验(Nature 561)证明确定性门传送在同一个量子器件内可行Chou et al. 2018 (Nature);2021 年 Luo 等把物理比特的未知态传送进逻辑码空间Luo et al. 2021 (PNAS)。

2026:首个分布式量子纠错

arXiv:2609.13065(2026-09-11)把光互连从”传门”升级为”纠错”Ainley et al. 2026 (arXiv):

  • 远程稳定子测量原语:网络比特 Bell 对作分布式辅助,本地 CNOT 把远端数据比特的奇偶映射到网络比特。这是跨处理器实现高码率 qLDPC(例如把 BB 码分到 3 个模块)与 lattice surgery 的基本操作——分布式 qLDPC 的硬件路径由此打开(见qldpc-hardware)。
  • 分布式 重复码:数据比特分居两模块,远程 稳定子测量实时检错(奇宇称→重置重来),n 次重复远程测量保持码空间、不引入额外逻辑错误。
  • 分布式 Bell 态纠错:注入去极化噪声 λ 后测 与 双稳定子,实时 前馈修正——错误率从随 λ 线性增长拉平为近似持平。

零注入错误下目标宇称概率 =96.4(6)%(残余误差 3.6(6)%),全部前馈实时完成。

远程稳定子测量与分布式纠错实验
图:远程稳定子测量——BB 码分块示意(高码率 qLDPC 跨模块的愿景)与双模块实验:网络比特 Bell 对作分布式辅助,本地 CNOT 把远端数据奇偶拉到网络比特上测量(来源:QE369)

资源权衡与批判

模块化路线的账本有两栏:纠缠生成速率(heralded 光子纠缠是概率性的,远程门速率远低于本地门)与电路比特相干(等待纠缠期间计算态必须被保护)。当前实验规模是每模块个位数比特、~2 m 桌面距离;扩展到机架间、多模块还有光纤损耗与频率转换效率的硬工程。对照路线:QCCD 芯片内输运(Quantinuum,见quantinuum-microsoft)把”模块”缩到芯片内,快但难扩到数千比特;光互连把”模块”放大到独立机架,慢但天然可复制。两条路线在”远程稳定子测量”这一原语上殊途同归——它与晶格手术共享稳定子合并的语言(见lattice-surgery、ft-ec-cycle)。

延伸阅读