实现可运行的双类型离子阱量子网络节点

量子网络在量子通信、精密测量和分布式量子计算中至关重要，通常需飞行光子传输信息和物质量子比特长期存储信息。囚禁离子因相干时间长、门操作保真度高且能与光子高效纠缠，是理想的物质量子比特平台。为实现量子网络节点的多功能性，需通信量子比特（高速生成物质-光纠缠）和存储量子比特（存储信息并与通信量子比特纠缠），但传统方案存在串扰问题——通信离子自发辐射的光子会干扰存储离子，导致信息丢失。

本研究实现了一种双类型囚禁离子量子网络节点，采用171Yb+离子，将通信（S型）和存储（F型）量子比特编码在同一离子种类的不同超精细能级，避免了串扰。实验中，两个171Yb+离子被囚禁在刀片阱中，间距10μm。通信离子经370nm激光激发产生离子-光子纠缠，光子由透镜收集并通过单模光纤传输至探测器。存储量子比特在F型能级中存储时，相干时间长达~1秒（无自旋回波），经多次类型转换后仍保持高保真度。通过自旋相关力（SDF）哈密顿量和微波脉冲序列，在存储和通信量子比特间实现了纠缠门，保真度达0.92。

该节点的基本功能通过了验证：离子-光子纠缠保真度为0.91，存储量子比特平均存储保真度高，纠缠门操作可靠。基于此，研究演示了实际应用：一是被动量子态隐形传态（无需主动前馈），对六个相互无偏基态的隐形传态保真度平均为0.87，超过经典阈值；二是制备了存储量子比特、通信量子比特与光子量子比特的Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）多体纠缠态，保真度达0.85。

研究表明，节点各核心组件（纠缠生成、存储、纠缠门）兼容且稳定，未来可通过优化电子系统、抑制检测误差和增加量子比特数量提升性能。该节点为构建大规模量子互联网奠定了基础，后续连接多个此类节点有望实现更复杂的量子网络任务。