量子门传送(QGT)机制

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):
- 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);
- 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);
- 中途测量网络比特,测量结果经实时 TTL 经典链路交换;
- 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。

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) |
| 2020 | QCCD 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。

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)。