哈佛大学发布基于固态量子比特的通用分布式盲量子计算

量子计算技术的突飞猛进引人兴奋，然而维持量子比特的严苛环境决定了量子计算机可能没有机会像个人电脑一样真正走入千家万户，更大的可能是通过云计算来访问量子计算机，即客户端仍然使用传统计算机，通过云访问量子计算机实现特定算法。为了保证信息安全，物理学家们提出了盲量子计算，其中的“盲”意味着量子服务商无法获得计算任务的全部信息。尽管量子计算机最有前景的实现是基于各种物质量子比特平台（如中性原子、超导量子比特、囚禁离子、半导体量子点和固态缺陷），现有的盲量子计算实验主要基于全光子平台，对物质量子比特平台的实验探索较少。在物质量子比特上实现盲量子计算仍然是一个挑战，其难点在于实现基于物质量子比特平台的高效和可扩展性光学接口。

分布式量子系统是由多个量子节点通过量子通信链路互联构成的网络化系统，能够在空间分离的节点间实现量子信息的协同处理与传输。它可以结合量子力学特性（如叠加、纠缠）和分布式计算架构的优势，是实现大规模量子计算、量子通信及量子网络的核心方向。

解决如何在分布式量子系统中实现盲量子计算，特别是基于固态量子比特的系统，对实现大规模实用性量子计算具有重要意义。该研究利用纳米光子金刚石腔中的硅空位（SiV）中心和高效的光学界面，在分布式双节点网络上展示了一个由单量子比特和双量子比特盲门组成的通用量子门集。使用这些装置和手段，研究人员在双节点网络上执行了盲操作的分布式算法，证明了一条在分布式模块化架构中使用物质量子比特开发盲量子计算的路线。

集成在金刚石纳米光子腔中的硅空位（SiV）中心已被报道能提供高效的物质-光子界面。研究使用两个物理分离的SiV中心，每个中心嵌入一个纳米光子腔。服务器1包含两个量子比特（电子和核自旋），服务器2包含一个电子自旋，通过微波或射频脉冲施加高保真单量子比特和双量子比特门。将这种基于SiV的双节点量子网络作为骨干，由两个物理上分离的节点和一个光子测量装置，分别作为两个分布式服务器和一个客户端。服务器使用自旋量子比特计算，并通过服务器生成的物质-光子纠缠应用盲门。产生的光子被发送到客户端进行测量，测量可反映应用于自旋量子比特的门操作，同时保证了保密性。

 bits，远低于完全揭示ϕ所需的1 bit。

为了实现节点内双量子比特盲门，研究人员使用电子和核自旋作为计算量子比特，通过SPG和本地双量子比特门将光子纠缠分布到两个节点。客户端测量光子在不同基下的结果，实现不同的双量子比特门，并测量输出状态的保真度和纠缠熵。实现了I门和CZ门的盲操作，输出态和贝尔态保真度分别为0.85±0.01和0.85±0.02，信息泄露量仅为

 bits。

在分布式双量子比特盲门实验中，两个服务器节点之间分布自旋-光子纠缠，通过开关式纠缠实现CZ门或I门。客户端测量光子在不同基下的结果，实现不同的双量子比特门，并测量输出状态的保真度和信息泄露量。实现了CZ门和I门的盲操作，贝尔态和输出态保真度分别为0.72±0.04和0.70±0.03，两种盲门间的信息泄露量为0.12±0.06 bits。

本研究还首次将盲量子计算扩展至分布式架构，并通过两节点量子网络实现了具有隐藏算法的Deutsch-Jozsa类算法。客户端通过量子网络委托服务器执行计算任务，同时隐藏算法选择与输入数据，客户通过四种隐藏算法正确确定常数和平衡属性的平均概率为0.85±0.03，服务器无法区分不同算法的选择。

总的来说，本文首次在固态量子比特上实现了通用盲量子门集，包括分布式盲操作，展示了物质量子比特在分布式模块化架构中实现盲量子计算的可行性。尽管实验中存在光子检测概率低等挑战，但通过使用辅助量子比特存储器，可以实现确定性纠缠生成和确定性算法实现。本文的工作为实现容错盲量子计算铺平了道路，并展示了其在分布式量子计算中的潜在应用。

本文通讯作者，Mikhail D. Lukin，为美国科学院院士，美国物理学会会士，美国科学促进会会士，哈佛大学Joshua and Beth Friedman教授，科学与工程量子计划联合主任，QuEra Computing和Quantum Diamond Technologies的联合创始人兼董事会成员。

原文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adu6894?af=R

编译：Youyou