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I. 背景
量子信息处理开启了无法通过经典技术实现的新型技术能力。为此，已有一系列不断增长的量子算法【1】，这些算法将在未来的量子计算机上执行，并提供超多项式加速，超过其已知的经典对应算法。其中一些算法对有用任务至关重要，包括量子化学和新材料设计，它们使得在从催化剂【2】到电池【3】和制药【4】等重要技术应用中的化学过程进行精确模拟成为可能。其他量子算法将影响我们的网络安全标准。例如，一旦在大规模容错量子计算机上实现，Shor算法将能够高效地破解由Rivest-Shamir-Adleman（RSA）加密及其变种保护的任何数据，而当前RSA加密保护着超过90%的金融和互联网流量【5】。有趣的是，许多所谓的“量子安全”RSA替代加密算法已经遭遇了经典或量子攻击，包括Diffie-Hellman【6】、Soliloquy【7】、椭圆曲线【8,9】、Rainbow【10】、SIKE【11】和（通过旁道攻击）CRYSTALS-Kyber【12】。一些后量子密码学算法迄今为止抵御了攻击，并且在实践中具有强大的长期安全性潜力，但与RSA类似，它们依赖于本质上无法证明的计算安全性【13】。

与量子计算并行，量子网络为量子设备提供了更大的连接性和安全性，并使得超出单个量子设备能力的应用成为可能。这些应用包括未来量子计算机也无法破解的安全通信【14】、“盲”计算经典和量子算法【15】以及模块化量子计算【16】、定时【17】和传感【18】。横向扩展是通过增加额外连接的量子芯片来增加量子系统容量的方式，而不是通过向每个芯片添加额外的量子比特来增加现有芯片的容量【19】。类比今天的高性能模块化经典超级计算机，量子网络上的模块化量子超级计算机将通过实现量子资源的真正横向扩展，使得惊人的计算能力成为可能，进而为上述应用带来实际的量子优势，并催生出尚未被设想的量子应用。重要的是，量子网络连接的模块化量子处理器直接提供了量子中继器所需的所有能力，量子中继器对于扩展量子网络至关重要。

然而，今天的噪声中等规模量子（NISQ）设备不能信赖执行实际规模的网络和计算指令，超出几个特定问题的小规模实例【20-22】。对于今天的单片量子架构来说，在即使只有几百个物理量子比特的规模下交付高保真操作一直是一个挑战，目前看起来，可能需要更多（甚至大大更多）高保真量子比特才能获得商业优势。同样，量子网络的扩展目前被可靠的量子中继器的不可用性所阻碍。因此，是否能够通过这些NISQ设备实现商业价值仍然是一个悬而未决的问题【23】。

实现量子信息处理的全部潜力需要构建可扩展的容错量子（SFTQ）计算和网络技术。尽管全球竞赛以交付SFTQ技术已经相当激烈并且加速进行，且一些小规模量子系统的性能已经接近于操作单个逻辑量子比特所需的水平【24】，但扩展这些系统似乎仍然是一个相当大的挑战，因此，一些人认为，基于今天已知的量子架构，大规模SFTQ网络和计算技术的到来可能需要十年以上【25】。

图 1. 光子可扩展量子技术架构。量子芯片在1 K的低温箱中冷却。该芯片内集成了硅T中心、光学腔体、光子开关和单光子探测器。光学输入输出（IO）端口通过通信光纤与室温光子开关网络和控制电子设备连接。这自然地允许一个高度连接的架构，具有非局部连接性，即使系统在规模上扩展。通信光纤还通过其光学IO将多个低温箱连接在一起，从而实现横向系统扩展。这不仅使计算能力得以扩展，还支持长距离量子网络。

在本展望中，提出了一个观点，即量子网络和量子信息处理器将通过将它们结合到同一核心的纠缠分发技术中来实现最终的规模。量子计算机的网络化将通过模块化实现量子资源的真正横向扩展；而量子中继器（小型量子计算机）的引入将扩展电信量子网络的拓扑和总距离。通过一个强调纠缠分发的量子架构的示例（图1），可以合理预期，SFTQ技术和相应的转型现实世界应用将在当前预测之前更早地实现。

这项技术基于硅中的网络化自旋，特别是T中心自旋-光子接口【26】。该架构本身广泛适用于所有长期存在的自旋-光子接口，如固态颜色中心【27】以及一些真空中的光活性原子【28,29】。该架构利用量子网络的连接性和模块化，扩大容错量子处理器的能力和分布式处理器的纠错存储，以扩大量子网络的覆盖范围。本文是这一愿景的概述。

II. 连接性
容错量子错误更正的严格阈值意味着量子比特必须在严格控制的环境中运行，包括例如低温、超高真空、电磁屏蔽、高纯度材料等。每一个物理约束都会导致系统规模的限制，超过这一规模后，增加下一个量子比特的难度反而会变得更大，而非更小。像这样的约束意味着，对于每一个量子计算平台，都存在一个自然的系统规模，超过这个规模后，连接多个计算模块将比构建越来越大的单片量子超级计算机要容易得多。这种向模块化量子处理转变具有多重优势：如果通过通信光子连接模块，它可以直接解锁量子中继器和可扩展的量子网络。对于一些量子计算架构来说，单个模块中的未来量子比特最大数量原则上可以非常大，而需要转向横向可扩展模块化量子计算的要求可能会放在遥远的未来。然而，在竞争（快速）扩展量子资源的背景下，本文认为，模块化量子处理将是所有量子架构在实践中的最终长期目标。

如果假设模块化将像经典网络和超级计算机一样解锁容错量子网络和量子超级计算机的无限横向扩展，那么模块之间的连接性将是一个特别值得关注的问题。作为参考，现代经典高性能计算完全依赖于跨互联计算模块的并行化【30,31】。在量子情形下，模块之间更高程度的连接性将至关重要。高连接性的架构优势已在文献【32,33】中进行讨论。即使对于能够最小化跨模块逻辑操作数量的量子算法【34–36】，纠缠也需要高效分发。这与量子错误更正如何在物理系统中实现密切相关，接下来将进行描述。

模块之间连接的扩展是一个至关重要的设计参数，因为模块大小为应用于联合两个模块系统的任意操作所需的纠缠对数设置了下限【37】。更重要的是，在每个模块编码其自身的逻辑量子比特的特定情况下，连接性仍然是关键。为了实现不同模块之间的逻辑两比特门操作，必须在各个模块之间纠缠大量的物理量子比特。例如，对于Calderbank-Shor-Steane（CSS）编码（一种量子错误更正码，其中位翻转和相位翻转错误分别由经典错误更正码独立检测和修正），在两个模块中的逻辑量子比特之间进行横向逻辑控制非（CNOT）门操作，需要在它们的每个组成物理量子比特之间进行横向（成对）物理CNOT门操作（见图2）。

图 2. 模块间连接性相关的时间开销。
(a)，(b) 两个七量子比特CSS码块的示例，其中 (a) 为有限（低）模块间连接性，(b) 为理想（高）模块间连接性。
(c) 最大模块间连接性，其中每个物理量子比特可以与第二模块中的配对量子比特直接并行纠缠，从而实现单次时间步的横向CNOT门操作，进而实现这两个模块之间的逻辑CNOT门操作。
(d) 该示例的有限模块间连接性导致两比特逻辑CNOT操作的串行延迟，并以示例但不最优的电路实现方式呈现。如果模块内没有实现全连接（如本示例所假设的那样），则会产生大量额外的时间开销（此处未展示）。

如果没有高程度的模块间连接性，两个模块之间的纠缠分发将成为分布式系统性能的瓶颈【38,39】。随着系统扩展，这一瓶颈只有在模块间量子比特的连接性随着编码的错误检测能力扩展时才能避免。在错误检测能力与模块规模成比例扩展的编码中，这提出了一个严格的要求：理想情况下，每个物理量子比特都需要一个互连【40】。在大规模量子系统中，模块的互连性实际上可能主导量子网络和计算应用的时间和空间量子资源估计【39】——然而，模块之间的连接性在当前的量子资源估计文献中几乎从未被考虑，通常甚至没有被提及。简而言之，这些模块之间的一对一物理纠缠操作必须能够并行化，以确保整体系统的良好性能。这个观察暗示了理想情况下某些物理量子比特能力的要求；接下来将讨论，最大化并行纠缠分发的模块化架构最好意味着每个物理量子比特都直接可以通过通信光纤访问。

假设模块化量子技术和模块之间的高连接性用于跨模块进行高性能并行物理操作，那么自然的问题是：所有量子比特应如何连接？跨模块实现快速逻辑门的关键是高效的非局部纠缠分发。如果每个量子比特设计为可以轻松与来自其他模块的物理量子比特纠缠，那么可以假设该量子比特支持一种物理过程，允许生成非局部的、而非基于邻近的纠缠。在这样的假设下，模块内和模块之间的连接性不一定受限于基于邻近的量子比特拓扑，可以以任何方式连接，以实现最佳的整体系统性能。

今天的大多数量子架构建立在平面邻近性纠缠生成的范式上，并旨在利用一种经过广泛研究的低连接性量子错误更正（QEC）码——表面码【41,42】——以实现容错。即使是这些针对平面架构的近似最优编码，也需要巨大的开发和资源。例如，在乐观的设置下【43】，对于因式分解算法，表面码每个容错逻辑量子比特需要超过3000个物理量子比特。此外，在许多平面架构中，绝大多数逻辑指令周期需要交换量子比特，以实现基于邻近的多量子比特操作【44】。

图 3. 两比特操作的比较，分别在具有 (a) 平面邻近连接图和 (b) 非局部连接的设备上进行。
(a) 在平面图中，两个远距离量子比特之间的CNOT门操作需要顺序交换操作。每个连续的操作都会积累误差，整体保真度急剧下降，即使在显示的小距离内也是如此。
(b) 在非局部连接下，两个量子比特操作在整个图中是等效的，设备可以以更高的保真度进行扩展。

拒绝平面连接性假设（见图3）对于高连接性SFTQ架构，可以大幅减少时间和物理资源的需求【45】。通过允许更高的连接性来避免这些和类似的开销，可以显著减少所需操作的数量【9,46】。即使是“魔法态”的蒸馏，这通常是为表面码架构提供必要的普适性缺失元素的首选方法，使用高连接性蒸馏算法时，资源效率也可以提高2倍【47】，而近期的编码可能具有10倍更低的开销【48】。不幸的是，适度的长程连接性【49】或具有 substantial 内部连接的小模块量子比特，并未能显著改善简单的平面连接性。连接性必须与系统规模同步扩展，才能实现显著的改进【50】。

量子低密度奇偶校验（QLDPC）码是经典LDPC码的量子类比，经典LDPC码支撑着5G通信网络，这是一类以低重量稳定器校验为特征的码。当这些码不再受限于局部连接性时，它们可以实现真正惊人的性能。最近的一系列研究【51–56】 culminated 在构建了具有渐近最优码参数的QLDPC码族，经过数十年的相对停滞进展后，解决了这个长期未解的问题。与之前的工作【57】一起，这些码族已经证明物理开销可以大大低于平面码架构中观察到的开销。QLDPC码的固有特性解锁了附加的性能优势，包括单次操作【58–61】，它消除了重复QEC周期的需求，从而将测量错误与量子比特错误区分开【62,63】。实现逻辑操作的工作才刚刚开始，但初步迹象表明这些方法与平面码的效果相当【64,65】。令人惊讶的是，某些QLDPC码可能甚至不需要成本高昂的普适性实现方法【66】。

比这些理论结果更令人鼓舞的是，QLDPC码的实际性能评估，似乎在几乎所有方面都与平面码相当或更好。它们提供类似的错误阈值【49,67】、类似的校验权重【48】和针对大规模有限码的高效解码算法【68】。QLDPC码每三个物理量子比特编码一个逻辑量子比特，已被证明在去极化噪声下达到了量子哈希边界（这是平面表面码的一大亮点），并使用了现今已经在实际使用中的解码器【69】。即使在相当小的系统规模下（在此情况下，QLDPC码的渐近行为不一定代表实际性能），在复杂的噪声模型下，QLDPC码已被证明比平面码在资源成本上降低了10倍以上【70】，即使扩展到物理资源估算【71】。某些QLDPC码家族在编码规模扩展时提供恒定的开销。例如，大约1000个物理量子比特的显式码可以支持超过100个逻辑量子比特【71】。对于恒定开销的QLDPC码，随着系统横向扩展，编码速率可能保持不变。不幸的是，对于纯平面架构，无法替代高连接性——它是任何旨在利用这一诱人潜力的系统的基本要求【33,72】。尽管完整的时空逻辑电路开销估算目前较为稀缺，但现有的方法【48,73】已经将该开销上界限制在O(n)，并且乐观的观点认为，QLDPC逻辑电路编译可以在实践中与表面码的最先进方法相匹配或超越【74】。

即使在SFTQ之前，连接性在NISQ应用中也已被证明至关重要。例如，要构建量子中继器，连接性允许在多个用户之间更有效地分发纠缠【75,76】，并通过多路径路由提高纠缠吞吐量【77】。其他通过连接性改善近期应用的例子包括将电路映射到硬件【78】和量子图像处理【79】。
综上所述，非局部纠缠生成的速度和质量应该被视为决定使用大规模模块化容错量子系统的应用最终性能和资源需求的关键特性。这对于利用量子中继器的大规模网络以及模块化和横向可扩展的量子超级计算机都是如此。在这一愿景中，量子超级计算机和量子网络最终都是大规模纠缠分发系统。许多物理量子比特类型原则上可以支持非局部光学纠缠生成，包括被捕获的离子【32,80】、中性原子【81,82】、量子点【83】、固态颜色中心【84–90】以及新近被重新发现的、因此相对未被探索的硅T中心【26,91,92】。虽然此处提出的架构可以应用于每一种物理量子比特，但影响量子比特非局部纠缠生成能力的实际细节对最终系统性能有着真正巨大的影响，因此任何给定的物理量子比特类型应该以此长期需求为基础进行进一步开发。

III. 构建模块：硅、通信、存储、纠缠

A. 硅
硅是量子和经典应用的顶级材料。它是高性能集成电子学的工业标准，也是低损耗高密度光子集成电路的标准，无论是主动还是被动。硅中的自旋量子比特也证明是卓越的量子存储介质，具有大约3小时的相干时间【93】和高保真度【94】。从工业角度看，没有其他半导体能够与硅在全球影响力、工艺工程能力、成本效益和纯度上相媲美。硅的工业主导地位和广泛的开发提供了如此无与伦比的竞争优势，历史上，如果使用硅找到了一个解决方案，硅解决方案通常会胜出。

B. 通信光子
通信带宽（通信）光子量子比特将成为任何高度连接的全球量子网络的骨干，并成为模块化量子计算机的支柱。通信光子可以灵活地通过现代通信基础设施，在低损耗的低温兼容波导中，以及在室温下，连接局部和远程的物质量子比特，具有任意连接性。尽管目前有许多研究努力推动将其他量子比特转化为通信光子【95-99】的过程，但通过与直接与通信光子相互作用的量子系统（如硅T中心）合作，可以完全避免转化过程的开销。在本文中，提出通信光子是大规模高连接性量子技术的关键，但在没有量子存储的情况下，单独使用它们可能并不切实可行。

C. 量子存储
所有波长的光子量子比特在量子计算和量子网络中的主要挑战是不可避免的损耗。每个通过光学链路的光子过程只有一小部分时间会成功，即使是通信光子，这些光子具有目前最低损耗的光子组件（例如，开关）【100】。在大规模高连接性环境中，每一层开关都会引入额外的损耗。量子存储提供了一条直接的路径来保护免受光子损失，适用于高保真度的计算和网络应用【101】。

量子存储对于构建具有最高功能的量子中继器至关重要【102,103】。在中继器中，超长的量子存储寿命对于高保真度的量子比特存储及与长时间飞行（长距离）连接的光子信号协调至关重要，同时在高损耗环境中，通常需要进行多次纠缠生成尝试才能使光子成功到达。具有自旋自由度的固态颜色中心量子比特【27,84】，以及一些真空中的光活性原子【28,29,104】和稀土发射体【105–109】提供了上述所有理想的量子功能。每种物理量子比特类型都提供了直接的高质量光子接口，允许至少一个长寿命、高保真度、可普遍控制的自旋量子比特【112】。这些物理量子比特每个都具有直接且专用的光子接口，允许并行纠缠生成。

对于高连接性量子计算，本文提出了类似的架构优势，其中光子分发纠缠，但不直接处理量子信息：处理是在自旋量子比特中完成的。这种设计本质上能够容忍光子损耗，因为可以反复进行概率性纠缠生成尝试直到成功，而不丧失自旋量子比特的状态【113】。自旋寄存器中的存储量子比特必须通过适当的存储保护机制，避免由于通信量子比特之间的远程纠缠尝试导致的去相干【114,115】。本质上，物质量子比特之间的高连接性——这些量子比特可以物理地排列在平面芯片上——由光子承载的纠缠提供，并且这些光子提供了任意连接性。

图 6. 两比特门机制。电子自旋初始化为叠加态，并通过光学泵浦发射自旋纠缠光子。重复这个过程，并通过光子探测器的点击预示，从而产生光子介导的电子自旋-自旋纠缠，这些纠缠在远程T中心被消耗，用于在两个核自旋之间实现CNOT门。

最大纠缠的贝尔对（BPs——两个量子比特处于四种贝尔态之一）可以通过多种光子方法生成（见图6，给出了具体实现【116,117】）。一旦将贝尔对形式的纠缠交付给自旋，这种纠缠可以作为资源，用于构建集群态，以便在基于测量的计算范式中进行计算【118,119】或在传统量子计算的门模型中进行量子门传送【120,121】。集群态和量子门传送模型都允许通过网络进行盲计算应用【15,122】。下面，我们将以量子门传送为例进行实现。

对于这种量子技术，量子网络中的中继器和量子计算模块将几乎在核心构造上是相同的，这反映了这样一个事实：高效的高性能大规模量子网络和量子计算的关键在于高带宽高连接性的纠缠分发。从长远来看，预计这种统一技术将优于需要额外量子接口层的具有不同网络和计算核心的架构，因为这些额外的接口层必然会影响纠缠分发速率和保真度。

D. 使用T中心进行计算和网络

即使在容忍损耗的设计中，实现大规模有效的纠缠分发仍然是高连接性SFTQ的关键性能指标。这进一步激励了采用固态自旋-光子接口，理想情况下是通信光带颜色中心，能够直接集成到硅的低损耗光子集成电路中。直接集成不仅最大化了从每个量子比特收集光子的效率，还通过常规光子工程增强了光子发射速率和质量，而自旋，特别是长寿命的核自旋，可以在低开销QEC所需的高水平下工作。

上述考虑预示着一个未来，其中可扩展的容错量子网络和可扩展的容错量子计算机将是相同的核心技术，长寿命的自旋嵌入到硅集成光子学中，直接与通信光子接口。特别地，硅T中心【26,91,123】被提出作为典范的基础量子单元：除了直接的通信光子访问外，它包含一个未配对的电子自旋和最多三个自旋-1/2的核自旋（一个氢和两个碳原子；见图1），每个自旋都作为高保真度且长寿命的量子比特，在超过1 K的温度下具有良好的性能【26】。

固态自旋的性能主要由宿主晶体环境决定。许多硅自旋中心，包括T中心，具有高保真度的性能和超长的相干时间【93,124,125】。特别是，能够将硅同位素纯化为无核自旋的28Si同位素，已经显示出核自旋的相干时间为3小时【93】，保真度超过99.9%【94】。在体积28Si样品中，T中心的自旋相干时间（T2哈恩回声）为2.1毫秒（电子自旋）和1.1秒（氢核自旋）；这两个自旋的T1寿命远长于一秒【26】。

T中心是少数几个具有直接通信光子接口的硅自旋量子比特之一【109,126,127】。它能够与泵浦激光脉冲高效交互，并发射自旋纠缠的O带光子。光子腔体可以改变T中心周围的光子环境，通过普塞尔效应【128,129】增强光子的发射，进入期望的光学模式。这些模式与光波导耦合，具有明确的模式，因此自旋纠缠光子可以准确（并且低损耗地）路由到目的地，无论是通过集成光子波导还是通过光纤耦合。光纤可以将T中心连接跨多个芯片，从而实现自然的模块化和横向可扩展架构。随着单片量子系统规模的增长，它们通常面临越来越难的输入输出（IO）和环境挑战，例如超导量子比特的谐振器布线。模块化扩展可以缓解随着系统规模增长而出现的IO密度挑战和环境约束。

IV. 量子操作

硅T中心，直到2020年才重新被发现用于量子应用【26】，具有在近期和远期实现高性能SFTQ的潜力。它将硅制造和可扩展性、通信光子发射以及长寿命自旋存储器的优势融为一体，成为一种特别适应于模块化高连接性架构的量子系统。与钻石中的NV或SiV等颜色中心相比，后者在作为量子比特和光子源方面有数十年的开发历史，但关于T中心作为自旋-光子接口的性能的文献相对较少。从已发布的结果来看，T中心已从表征阶段迅速进展到设备集成【26,91,92,130,131】。尽管仍有大量工作要做，但近期的结果已经建立了T中心引人注目的自旋【26】和光学【131,132】特性。以下将描述T中心的量子比特如何根据第III节所述的愿景执行高保真操作。

A. 状态准备和测量

对于读出和初始化，电子自旋可以通过自旋依赖的光学激发进行投影测量并初始化为高保真度【图4(a)】【26,91,132】。T中心自旋寄存器的初始化和读出可以通过电子自旋与核自旋之间的高保真度状态交换实现。此外，可以通过执行两个量子比特的CNOT门操作来实现核自旋的量子非破坏性（QND）读出，以电子自旋为目标，光学读出电子自旋，然后根据需要重复【133】。在这两种情况下，存储量子比特必须通过适当的方案避免由于光学激发而引起的去相干。没有激发的读出方案对于强耦合的发射体-腔体系统是可能的【134】。

图 4.
(a) T中心的能级。C跃迁通过光学泵浦生成纠缠并用于读出。h，激发态孔自旋；e，基态电子自旋。
(b) T中心电子自旋的光学谱，叠加光学腔体以增强C跃迁的发射。

T中心局部寄存器中的四个自旋量子比特通过标准的电子和核磁共振技术【26】进行独立和高保真度的单量子比特和多量子比特门操作。硅施主自旋已证明具有优异的自旋选择性控制、长的去相干率（T∗2）和频率稳定性，以及在仅10纳米接近界面的长自旋寿命【94,135】。

B. 贝尔对纠缠

两量子比特门依赖于量子比特之间的邻近性或非局部纠缠操作。远程T中心通过光子介导的纠缠进行交互。每个T中心可以通过光学触发发射单个通信O带光子【91】，可选地与电子自旋纠缠。为了在自旋之间生成纠缠，这些光子必须是不可区分的。这意味着必须匹配两个光子之间的每个自由度：波长、线宽、时间、极化等。重要的是，这些光子的波长可以通过应变【136】或电场【137,138】调节，以补偿T中心局部环境中的变化。

自旋纠缠光子的不可区分性决定了生成的贝尔对（BPs）的质量，从而决定了多量子比特操作的最大保真度。当发射体的光学跃迁线宽接近其寿命限制值，而不是因环境噪声而扩展时，可以按需生成高度不可区分的光子。这可以通过光子工程显著增强，特别是在共振时，通过自旋选择性普塞尔效应增强光学跃迁【图4(b)】与高质量光子腔体的耦合【139】。这提供了更快的发射速率，导致更大的寿命贡献到线宽，因此产生更多不可区分的光子，以及更高的循环性（定义为光学周期内自旋状态的保持）。

这种架构对腔体（频率、Q因子）和颜色中心（频率、耦合强度）的低产量具有相当好的容忍度。通过可切换的光学网络，可以从更大的量子比特池中选择高性能的量子比特。因此，量子网络的量子比特比固定的邻近处理器对不完美产率的敏感性要小得多。为了实现高不可区分性，光学腔体和颜色中心的频率必须在普塞尔增强的线宽所定义的相对窄范围内重合。为了改善由于制造变化导致的初始低产率，可以使用可调性，如通过斯塔克位移（Stark shifting）调节光学跃迁或腔体调谐或修剪。幸运的是，硅纳米制造的精度非常高，许多这些想法已经得到了探索【140–143】。

集成到光子腔体中已经导致了单个T中心激发态寿命相比未增强的940纳秒值减少了20倍以上的演示【130,131,138,144】，增强了不可区分性并提高了最大光子发射速率。单个T中心的瞬时线宽已被测量，只有其寿命限制值的5倍大【130,131,138】。朝着高不可区分性进一步改进的措施包括增强制造方法，以减少光学谱扩散。

触发的两个不可区分的高纯度自旋纠缠光子的发射可以用来将参与的电子自旋投影到一个最大纠缠的贝尔对自旋状态【145,146】。贝尔对生成协议的一个示例是Barrett-Kok协议【116】系列，其特点在于它是“哪一条路径”对称的，不需要干涉仪稳定性，并且通过最小化误报来预示成功。Barrett-Kok协议的流程如下（见图6）。两个分离的T中心的电子自旋被准备为自旋向上和自旋向下的叠加态，并触发发射与自旋向上跃迁共振的光子。光子模式在光束分离器上发生干涉并被检测。然后，自旋态被反转，发射和检测重复进行。通过在第一和第二光学周期中各自进行一次光子检测作为预兆信号，自旋被投影为最大纠缠的贝尔对。

图 5.
(a) 两个T中心同步发射光子。由于光子波包的有限时间宽度，检测时间会有所不同。
(b) 检测时间差 dt 可用于仅预示高保真度的贝尔对（BPs）。随着预兆阈值变得更加严格，贝尔对生成率会下降。模型曲线是基于当前性能的合理系统参数预测计算得出的。

尽管光子损失可能导致单次尝试失败，但成功会得到预示，整个过程可以重复进行，直到成功为止，每次尝试都可能导致局部核自旋相干性的小幅下降（见下文）。此外，对于这个协议，通过调整预兆阈值（即探测器点击之间的时间差）可以在牺牲较低的纠缠率的情况下获得更高保真度的贝尔对，例如使用时间频率失配的时间箱过滤技术【图5】【147】。

C. 传送门

传送门模型在规模化上具有多个优势。量子传送通过预示相同光子的碰撞，在需求时交付两比特门操作。这本质上消除了在“两比特交互始终开启”时可能发生的意外多量子比特操作和串扰。此外，与共用局部环境耦合的量子比特容易受到相关错误的影响，这会显著降低量子错误更正（QEC）的性能【148–150】。由于传送门是远程操作，每个T中心可以占据一个独特的局部环境，从而最小化噪声中的相关性。

一旦贝尔对（BP）纠缠被预示并交付给T中心的两个电子自旋，就可以在一个传送门序列中消耗该贝尔对，利用局部操作和经典前馈操作，在T中心的两个核自旋之间应用非局部的多量子比特门【121,151,152】（见图6）。或者，通过局部测量和门操作可以蒸馏一系列成功的贝尔对【153–155】，将其保真度提升至超过光子不可区分性，再利用该蒸馏对交付更高保真度的传送门操作。多个自旋存储量子比特的寄存器，如T中心的内核自旋，允许进行分层蒸馏协议【158】。蒸馏可以优先处理传送门的主要错误路径，从而产生超越预示或蒸馏贝尔对保真度的传送CNOT过程【146】。

这里概述的方法使用电子作为自旋-光子接口来生成和分发纠缠，并使用核自旋进行处理和存储。在分发纠缠尝试期间，必须选择一种配置来保护存储量子比特。一般来说，反复的纠缠生成尝试会通过扰动核自旋态来降解存储在存储器中的信息【84】。

保护技术包括在去相干自由子空间工作【108】，将外部磁场对齐到超精细张量的主轴之一【138】，以及减少光学激发态寿命【159,160】。有了足够的保护，贝尔对生成不会实质性影响存储在核自旋中的数据，因此传送门操作具有光子损耗容忍性。此外，由于长时间存储，此系统非常适合用于蒸馏和生成大规模纠缠态，即使在最小化所需的尝试次数和光学损失之后。

V. 可扩展量子技术

在该架构中扩展交互量子比特的数量需要在增长的量子比特网络中介导纠缠。使任意两个T中心之间进行多量子比特操作相当于将它们的不可区分光子路由到同一个光束分离器和探测器模块。这里，硅-绝缘体（SOI）平台可以推动芯片上设备集成，达到一个阶段，使光子永远不需要离开光子集成电路，从而最大化光子的收集效率和纠缠预示速率。此外，光学连接外部网络允许计算能力的模块化扩展。

图1展示了这一物理架构的视觉总结。T中心被放置在光子腔中，直接耦合到低损耗光子波导中。发射的光子通过芯片上的开关路由，并可选地通过高效的光学IO端口进入多个光纤中的一个。由运行时电子学控制的光学开关结构引导T中心发射光到单光子探测器和贝尔态测量模块，位于低温箱内。

然后，通过芯片外部的连接将不同光子芯片链接起来，能够在多个芯片之间模块化分配输入输出（IO），并横向扩展系统规模，无论是在单个低温箱内还是多个低温箱之间。由于通信光子在光纤中的低损耗，低温箱可以相距几米到几公里。

A. 芯片上可扩展性

T中心的尺度为原子级，可以被局部化在小型光子元件中，避免直接的光学串扰，从而使得每个芯片上可以布置数百万个独立寻址的量子比特【91】；然而，每个芯片上的量子比特数量上限将由较大尺寸的光子元件、控制电子设备和信号IO的空间限制。在这种架构中，芯片上的量子比特密度不受量子比特几何形状的限制，区别于例如通过超导轨迹连接的量子比特。

光纤的低热导率使得在低温环境中能够提供极高数量的光学IO（例如，在参考文献【161】中为37,000根光纤）。高密度光学连接到集成光子设备已在低温环境中得到了演示【162】。此外，T中心在仅1–2K温度下已能实现操作性能（电子自旋寿命、光学线宽）【26】。这种相对较高的操作温度避免了稀释制冷技术的需求，并提供了更多的冷却功率来抵消信号IO带来的热负荷。随着高密度光学IO的进一步发展，预计每个芯片可以支持超过4000根光纤，系统中将包含1000多个量子比特。

T中心量子比特可以通过电信号控制，电信号分为全局场和局部场。全局场包括定义T中心自旋哈密顿量的静态磁场B0和使用全局微波控制技术单独控制量子比特的自旋控制场B1【163–167】。局部控制场包括电场E、修整磁场δB0，以及光学开关和探测器信号。多路复用策略可以减少所有信号的电气线路数量，特别是局部控制【168】和探测器【169】信号。

B. 局部量子网络

如第III节所述，在此架构中，量子计算和量子网络本质上是相同的。通过这种方法克服的挑战——高带宽、高连接性的纠缠分发在光学网络中的损耗——是扩展量子通信网络时面临的同一挑战。

对于这种高连接性架构，量子资源的横向扩展通过将多个单元邻近放置到一个模块化的局部量子网络中实现（见图1）。在需要附加网络拓扑、芯片间连接或远程T中心之间的连接时，光学IO可以将光子路由到开关网络。由于光学光子可以无噪声地从低温环境传输到室温而无需转化，开关网络可以放置在低温箱内或室温下。

这种设计允许使用可切换的通信硬件在室温下实现任意灵活的连接，并通过光纤简单连接到低温环境。此外，芯片内的开关和多路复用可以用来突破光纤数量的限制，进一步扩展芯片内的量子比特数量。

图 7. 系统的非局部连接性在纠缠位于同一低温箱内的芯片上的量子比特时（无论是相距10米还是100公里）都以相同的方式工作。

如本文描述的架构，来自不同低温单元的T中心可以以与邻近T中心相同的方式纠缠（见图7）。换句话说，来自不同低温箱的多量子比特操作可以与芯片内的多量子比特操作具有相似的性能。这种设计最大化了重要分布式逻辑量子算法的性能【170】。物理和逻辑量子比特将通过将光子路由到公共光束分离器、通过传送量子比特状态到新连接邻域，或通过纠缠交换协议【16】来实现有效的全连接。

C. 量子中继器

量子互联网的广泛采用【171】受限于当量子通信信道扩展至超过本地（约10公里）距离时出现的问题：由于即使是最好的光纤中也存在信号衰减，点对点的陆地光纤链路的通信速率随着距离的增加呈指数下降。类似地，光束发散、大气吸收和湍流对自由空间望远镜链路施加了基本的损耗和噪声。尽管通信网络已经实现了超过1000公里的点对点量子通信【172】，光学量子中继器仍然是解锁全球量子网络应用的关键【102】。

光纤耦合的T中心处理器节点包含通信光学量子存储器，能够支持通过低损耗光纤链路进行长距离通信，并能够生成、存储和处理光学纠缠自旋量子比特。因此，它们可以作为通信波长量子中继器自然工作，从而实现长距离可扩展的多用户量子互联网，并具有在全球网络中为任何两个用户之间安全分发纠缠或连接量子处理器的潜力（见图1）。

作为初步实现，嵌套量子中继协议【173】通过在较短的链路上进行预示的纠缠生成和相邻节点之间的纠缠交换，然后进行纠缠蒸馏，从而创建长距离的纠缠。步骤在连续的纠缠链路之间重复，直到终端节点纠缠起来。这一过程中进行的每个纠缠生成步骤与使用所提议架构的本地分布式SFTQ计算完全相同，允许通过T中心处理器实现。这个中继协议属于所谓的第一代量子中继器【174】。在这里，损耗错误通过预示的纠缠生成来解决，操作错误则通过纠缠蒸馏来解决，蒸馏是一种特定类型的错误更正。

展望第二代量子中继器，可以利用T中心处理器执行多量子比特编码和节点间的逻辑操作的能力。如前所述，单个光子的损耗错误通过预示的纠缠生成来解决，但操作错误通过在每个节点进行逻辑编码来解决，即通过允许横向两量子比特操作的编码【175】，例如图6中实现的传送CNOT门。每个节点拥有一个或多个逻辑量子比特，这些量子比特通过纠缠分发与相邻的逻辑量子比特纠缠。随后的逻辑纠缠交换允许终端节点的逻辑量子比特纠缠，就像第一代中继器的终端节点物理量子比特一样。这一第二代中继器利用T中心在各个节点中的可扩展性和连接性，将经过纠错的逻辑量子比特分发到长距离。

因此，所提出的基于T中心的架构不仅最适合解决SFTQ计算的挑战，还为实现大规模量子网络及其各种应用提供了一个非常有吸引力的平台。

VI. 量子网络应用

一个真正可扩展的网络，既能在距离上扩展，也能支持更多用户，将解锁强大的应用【176,177】，如量子密钥分发（QKD）、分布式量子计算、盲量子计算【15】和增强型传感。在这里，重点讨论两个应用：盲量子计算和量子密钥分发，并讨论如何在提议的架构中自然实现这些应用。

A. 存储辅助的测量设备独立量子密钥分发（MA-MDI QKD）

量子密钥分发是最接近广泛应用的量子网络应用。使用T中心实现的QKD网络的初步实现包括用户拥有激光客户端（LCs），这些客户端通过光学连接到包含T中心的量子处理器（见图8），

图 8.
(a) 将时间箱光子量子比特态加载到T中心自旋存储器中的协议。
(b) 一个量子电路，利用(a)中的协议为连接到同一集线器的两个用户（激光客户端，LCs）生成加密密钥（c）。从两个用户加载光子，然后对它们进行贝尔态测量，计算它们态的奇偶性，从而实现MA-MDI QKD中的密钥生成。

可能采用集线器-辐射配置（一个有多个外部节点和一个与每个外部节点连接的中央集线器的网络）。用户可以将量子信息编码到弱相干脉冲中（例如，使用时间箱编码），并将其发送到处理器集线器。在集线器中，使用T中心的自旋-光子纠缠态和量子传送技术，编码的量子态被加载到本地自旋态【178】以供存储和进一步处理。多个集线器可以互联以扩展范围和容量（见图9）。

图 9.
(a) 一个量子电路，用于将量子比特态从远程激光客户端加载到两个不同的量子集线器，并在两个T中心自旋之间执行非局部贝尔态测量。传送CNOT（中间部分）由两个集线器之间的纠缠分发介导。
(b) 由于两个T中心之间的CNOT是通过传送实现的，这个电路可以用于在通过通信光纤连接的不同低温箱之间的两个用户之间生成加密密钥。

所提出的网络配置实现了存储辅助的测量设备独立（MA-MDI）量子密钥分发【179】。在此协议中，两个用户之间的秘密密钥通过首先将每个用户的态加载到集线器的量子比特中，然后在这些量子比特之间进行贝尔态测量来建立。测量结果被公布给用户，用户利用这些信息提取共享的秘密密钥。

MA-MDI-QKD协议消除了探测器侧信道攻击【180】，使得集线器可以作为一个不可信节点进行操作。节点之间的纠缠连接也可以是不可信的，提供比现有的可信节点网络更高的安全性【181】。同时，由于存储的辅助作用，MA-MDI QKD的密钥生成速率可以得到提升【179】，因为T中心自旋能够存储客户端的量子信息。这意味着客户端的光子不必同时到达；它们被加载到自旋中，并且只有在两者都加载完成后，才进行自旋之间的贝尔态测量。

在这个架构中，每个集线器将在集线器-辐射模型中支持成千上万的用户，远超当前商用QKD系统的点对点连接。通过图9所示的集线器之间的纠缠分发，可以在分布式环境中实现相同的MA-MDI-QKD协议。共享的纠缠可以独立于量子比特加载事件生成，然后被消耗以实施非局部的贝尔态测量。

无论是连接到单一集线器还是中继链，每个用户只需一个简单且成本效益高的源：一个室温激光器，输出被衰减到单光子级别。该激光器配备了能够产生时间箱编码光子量子比特的调制器，光谱与集线器中的T中心匹配。这种设备与现代数据中心的通信光子收发器非常相似，且这些光子量子比特可以通过现有的数据中心或大都市通信光纤传输到集线器。

B. 盲量子计算

尽管量子中继器允许进行长距离量子计算，且通信波长的光子允许进行模块化量子设计，但量子计算机可能仍然受限于保护和操作量子态所需的复杂硬件。这一限制表明，量子超级计算机可能会作为网络可访问的大规模设备开始运行，甚至可能会一直保持这种状态。通过经典互联网的云访问可能无法为所有潜在的最终用户应用提供必要的隐私保护。此外，量子计算机的操作员将能够访问数据和正在运行的算法。类似的担忧已在经典云计算中推动了同态加密领域的研究【182】，在该领域，计算机可以直接对加密数据执行逻辑运算，而不会获得解密和了解底层信息的能力。盲量子计算【15】可以看作是同态加密的量子类比，允许用户使用远程量子处理资源执行任意计算，同时限制计算机对数据和算法的有意义访问。在这个高度连接的架构中，使用MA-MDI QKD中采用的相同量子比特加载过程，也可以用来实现远程和盲量子计算，而无需改变用户硬件。这是因为T中心的固有自旋-光子接口，它允许以预示的方式将任意外部用户的量子比特加载到计算中。加载的量子比特主要用于远程指导计算，而一些量子比特则保留作为检查点，以确认计算的正确性【183】。

VII. 结论

目前已知的最高价值的量子应用需要在规模上具备容错能力。模块化量子系统，可能分布在全球范围，将是横向扩展的量子信息处理和网络的最终版本。这一观点的基础在于，结合量子计算和量子网络技术，能够消除每种技术单独面临的规模扩展的根本障碍，即，真正可扩展的架构是横向可扩展的。换句话说，要解锁大规模的量子网络，必须开发量子中继器，在高性能极限下，量子中继器本质上是容错的量子计算模块；而要解锁真正可扩展的量子计算，就需要利用量子网络的纠缠分发能力，将量子计算模块连接成量子超级计算机。

鉴于高带宽高质量的纠缠分发最终决定了可扩展（模块化）容错量子计算和量子网络的性能，量子系统应该设计为优化纠缠分发。在这种模型下，量子计算和量子网络在理想情况下最终是相同的基本技术。

本文提出了一个具有此最终目标的可扩展量子（网络和计算）架构。它建议使用硅中的通信颜色中心—即T中心—的具体实现，但这一架构模型广泛适用于许多量子比特系统。由于自旋-光子接口提供的高连接性，该架构可以利用固定和低开销的QLDPC编码来实现容错。由于集成硅光子平台，可以在单个芯片上制造并寻址数千个量子比特，并进行光学和电子控制与路由，模块可以通过现有的全球通信基础设施连接起来，无需任何转化损耗。使用T中心网络来分发验证的量子纠缠允许实现设备独立的网络协议，为防止窃听攻击提供最终保护，并且可以支持其他高价值的应用，如盲计算。综合来看，真正可扩展的量子技术的未来是光明的。