量子浴突破：ISTA首次实验验证远距量子比特全自动纠缠二十年理论预测

奥地利科学技术研究所（ISTA）的物理学家首次在实验中实现了一种完全自主的方法，利用由关联微波光子构成的“量子浴”，使远距离量子比特自动进入并保持纠缠态。该成果于2026年7月发表于《Physical Review X》，验证了一项提出逾二十年的理论预测。

研究由ISTA博士生亚历山德罗·安德烈斯-胡安内斯与教授约翰内斯·芬克领袖，联合国际团队合作完成。

为何重要

分布式纠缠——即物理上分离的量子比特之间超越经典物理的关联——是构建大规模量子计算机和未来量子网络的核心技术。此前生成远距纠缠通常依赖两种路径：从一个量子比特向另一个发送受控单光子，或让两个量子比特各自发射光子再通过后选择匹配。后者虽获2022年诺贝尔物理学奖，但仍依赖反复测量，且并非每次都能成功。

ISTA团队的量子浴颠覆了这一范式。量子比特所处的环境本身成为纠缠的来源。一个参量放大器持续产生纠缠光子对，每对中的一个光子分别通过独立波导发送至两个远距量子比特。由于光子天生关联，一个量子比特处的光子发射事件与另一个量子比特处的发射事件在量子力学上紧密相连。通过非局域相消干涉，这些发射路径相互抵消，将量子比特锁定在稳定的“暗态”中，保护纠缠免于衰减。

“这样，纠缠的量子比特态即使超出量子比特自身的‘寿命’也能被稳定住，并始终作为后续量子处理的资源保持可用，”芬克表示。纠缠持续存在——不是稍纵即逝的临时资源，而是量子比特所栖居的持久基态。

弥合两种纠缠形式

团队解决的核心难题是两种纠缠形式之间的鸿沟。连续变量纠缠态——类似摆锤的位置和动量连续变化——可高效生成，但无法直接用于大多数量子计算任务。离散变量纠缠——静态量子比特所需的“全有或全无”关联——才是实际应用所需。

“在这项工作中，我们致力于弥合易于获取的纠缠形式与实际有用的纠缠形式之间的鸿沟，”安德烈斯-胡安内斯说。量子浴利用易于获取的压缩光来稳定超导量子比特所需的离散变量纠缠，成功桥接了这两种形式。

实验细节

原型装置使用超导transmon量子比特——现代量子处理器的主力器件——嵌入分别冷卄至毫开尔文温度的三维微波腔中。各腔体不直接耦合，而是通过承载关联微波光子的公共传输线相连。量子比特被调谐至不同频率以防止直接共振能量交换。

为验证纠缠，团队采用量子层析技术，从大量仅持续20至80纳秒的超高速测量“切片”中重建量子比特的量子态。分析证实，两个隔离的量子比特在量子浴中保持同步纠缠态——这是二十多年前理论预测的首次实验验证。

效率与可扩展性

目前该方法可传递量子浴约10%的纠缠资源，效率尚不及主动控制方案。“我们的方法目前传递了量子浴中约10%的可用纠缠，”安德烈斯-胡安内斯承认。但研究者强调，该装置结构相对简单，有望扩展至同步多个远距量子比特——这是容错量子计算的关键需求。

芬克指出，原始理论在理想化条件下提出，这可能解释了为何功能化量子浴耗时二十年才实现。“我们的实验帮助揭示了几种可能阻碍科学家用单一关联光子源设计功能化量子浴的因素，”他说。

平行突破与未来展望

与ISTA工作同期，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）团队通过不同机制——使用微波环行器的单向量子系统——也实现了稳态远距纠缠。两种方法均利用量子干涉保护暗态，MIT博士后阿齐扎·阿尔马纳克利在APS Physics评论中对两项工作进行了评述。

稳态纠缠能否在实际计算操作中保持“常开”仍是开放问题。实践中，纠缠最终需转移至其他量子比特供算法使用，持续驱动可能干扰这一过程。尽管如此，两项演示均为新型量子互连提供了有价值的原理验证。

ISTA原型为量子光学实验和量子处理器向容错操作扩展开辟了新途径。通过提供按需、长寿命的纠缠而无需复杂反馈回路，量子浴方法有望简化模块化量子计算机的架构——在那里，通过自主纠缠连接远距模块可能变得如同经典计算中的布线一样基础。

本研究由奥地利科学基金（FWF）、欧洲研究理事会（ERC）及欧盟“地平线欧洲”计划等机构资助。