科学家们对量子力学的掌握程度已经越来越高，这预示着一个创新的新时代的到来。利用自然界最微小尺度下的力量的技术在科学领域显示出巨大的潜力，其应用包括更强大的量子计算系统、能够检测暗物质的传感器以及几乎无法破解的量子互联网。

美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)、Freedom Photonics公司和普渡大学的研究人员设计并演示了第一台用于频率箱编码(frequency bin coding)的贝尔态分析仪，这一发明意味着我们向全量子互联网迈出了一大步。他们的发现发表在《Optica》期刊上。

在通过量子网络发送信息之前，必须先将信息编码为量子态。这些信息编码在量子比特中，如果它们纠缠在一起，就意味着它们处于一种无法相互独立描述的状态。当量子比特处于一种被称为“贝尔态”的状态时，两个量子比特之间的纠缠被认为是最大化的。

测量这些贝尔态对于执行量子通信和在量子网络中分配纠缠所需的协议是至关重要的。虽然这种测量已经进行了很多年，但该团队的方法代表了首个专门为频率箱编码而开发的贝尔态分析仪，这是一种量子通信方法，它可以同时利用驻留在两个不同频率中的单个光子。

ORNL科学家、该研究团队成员Joseph Lukens说：“测量这些贝尔态是量子通信的基础。要实现隐形传态和纠缠交换等事情，你需要一个贝尔态分析仪。假设你有两台通过光纤网络连接的量子计算机。因为在空间上它们是分离的，所以无法进行单独互动。”

隐形传态是一种将信息从一方传送到另一方的行为，它跨越了一段相当长的物理距离，纠缠交换是指纠缠先前未纠缠的量子比特对的能力。

Lukens接着说：“然而，假设它们每个都可以在本地与单个光子纠缠在一起。通过将这两个光子沿光纤发送，然后在它们相遇的地方对它们进行贝尔态测量，最终的结果是将两台遥远的量子计算机纠缠在了一起——尽管它们从未有相互作用。这种所谓的纠缠交换是构建复杂量子网络的关键能力。”

虽然共有四种贝尔态，但分析仪在任何给定的时间内只能区分出两种。但这是没关系的，因为测量其他另外两个态需要增加巨大的复杂性，而这到目前为止是不必要的。

该分析仪采用仿真设计，保真度达到了98%。Lukens表示，剩下的2%的错误率是由随机制备测试光子时所产生的不可避免的噪声造成的，所以不是分析仪本身的问题。这种令人难以置信的准确性使频率箱所需的基本通信协议成为可能，这是Lukens先前研究的重点。

2020年秋天，Lukens和普渡大学的同事们首次演示了如何根据需要完全控制单个频率箱量子比特，从而在量子网络上传输信息。

利用ORNL开发的一种被称为量子频率处理器的技术，研究人员演示了一种广泛适用的量子门(或能执行量子通信协议所需的逻辑操作)。在这些协议中，研究人员需要能够以用户自定义的方式去操纵光子，这通常是为了响应对网络中其他地方的粒子进行的测量。

经典计算机和通信技术中使用经典门(如AND/OR)分别对数字0和1进行操作。而量子门则是在0和1的同时叠加上进行操作，从而在量子信息通过时对其进行保护，这是实现真正量子网络所必需的。

虽然频率编码和纠缠出现在许多系统中，并且它们与光纤天然就能兼容，但使用这些现象来执行数据和处理操作在传统方法上被证明是困难的。

随着贝尔态分析仪的设计完成，Lukens及其同事正在寻求扩大到一个完整的纠缠交换实验，这将是频率编码领域的首个此类实验。该工作计划将作为ORNL量子加速互联网测试平台项目的一部分，该项目最近由美国能源部启动。（编译:Qtech）