新型量子中繼器發(fā)布，人類將邁向量子互聯(lián)網(wǎng)時代

（文章來源：36氪）

量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來發(fā)送不可破解的信息，提高 GPS 系統(tǒng)的精度，并支持基于云的量子計算。二十多年來，由于很難在沒有損失的情況下通過遠距離發(fā)送量子信號，創(chuàng)建這樣一個量子網(wǎng)絡(luò)的夢想在很大程度上一直遙不可及?，F(xiàn)在，哈佛大學和麻省理工學院的研究人員已經(jīng)找到了一種方法，用一個可以捕獲、存儲和糾纏量子信息比特的原型量子節(jié)點來校正信號丟失。這項成果 3 月 23 日在線發(fā)表在《自然》雜志上。

這項研究填補了通向?qū)嵱昧孔踊ヂ?lián)網(wǎng)的缺失環(huán)節(jié)，也是長距離量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步。哈佛量子計劃聯(lián)合主任、George Vasmer-Leverett 物理學教授 Mikhail Lukin 表示：“該成果是一項概念性的突破，可以擴展量子網(wǎng)絡(luò)的最長范圍，并有可能以任何現(xiàn)有技術(shù)都無法實現(xiàn)的方式實現(xiàn)許多新應(yīng)用。這是我們的量子科學和工程界超過二十年的目標的實現(xiàn)。”

從第一臺電報機到今天的光纖互聯(lián)網(wǎng)，每一種通信技術(shù)都必須解決信號在遠距離傳輸時的退化和丟失問題。第一批中繼器是在 19 世紀中期發(fā)展起來的，用來接收和放大信號以彌補這種損失。200 年后，中繼器已成為我們遠程通信基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。

在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中，如果紐約的 Alice 想向加利福尼亞的 Bob 發(fā)送一條消息，那么這個信息在一條直線上從一個海岸傳遞到另一個海岸。在此過程中，信號通過中繼器，在中繼器中被讀取、放大并校正錯誤。整個過程中也十分容易受到攻擊。但是，如果 Alice 想發(fā)送量子消息，過程則有所不同。量子網(wǎng)絡(luò)使用光的量子粒子 - 單個光子 - 來遠距離傳輸光的量子態(tài)。這些網(wǎng)絡(luò)具有經(jīng)典系統(tǒng)所沒有的技巧：糾纏。

糾纏被愛因斯坦稱為 “遠距離的恐怖行為”，可使信息的比特在任何距離上都完美關(guān)聯(lián)。由于不改變就無法觀察到量子系統(tǒng)，因此 Alice 可以使用糾纏向 Bob 發(fā)送消息，而不必擔心竊聽者。這一概念是應(yīng)用量子密碼術(shù)的基礎(chǔ)，量子物理學定律保證了安全性。

然而，遠距離的量子通信也受到常規(guī)光子損耗的影響，這是實現(xiàn)大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的主要障礙之一。但是，量子通信超安全的物理原理也使得不可能使用現(xiàn)有的經(jīng)典中繼器來修復(fù)信息丟失。如果看不到信號，該如何放大和校正信號呢？這個看似不可能的難題，意味著需要一個所謂的量子中繼器。

本質(zhì)上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算機。在這樣一個網(wǎng)絡(luò)的每個階段，量子中繼器必須能夠捕獲和處理量子信息的量子比特以糾正錯誤，并將其存儲足夠長的時間，以便網(wǎng)絡(luò)的其余部分準備就緒。到目前為止，由于兩個方面的原因?qū)е逻@是不可能的：第一，單光子很難捕獲。第二，眾所周知，量子信息非常脆弱，因此長時間處理和存儲非常具有挑戰(zhàn)性。

哈佛大學 Lukin 實驗室與麻省理工學院（MIT）電子研究實驗室一直致力于利用一種能很好地完成這兩項任務(wù)的系統(tǒng)——金剛石中的硅空位色心（silicon-vacancy color centers）。這些中心是鉆石原子結(jié)構(gòu)中的微小缺陷，可以吸收和輻射光，從而產(chǎn)生鉆石的鮮艷色彩。

Lukin 研究組的研究生 Mihir Bhaskar 表示：“在過去的幾年中，我們實驗室一直在努力理解和控制各個硅空位色心，特別是如何將它們用作單光子的量子存儲設(shè)備?！毖芯咳藛T將 一個單獨的色心整合到了納米金剛石腔中，從而限制了承載信息的光子，并迫使它們與單個色心相互作用。然后，他們將該裝置放置在溫度接近絕對零度的冰箱中，并通過光纖電纜將單個光子送入冰箱，在那里它們被色心有效捕獲和捕獲。

結(jié)果表明，該裝置可以存儲毫秒級的量子信息足夠長的時間，以將信息傳輸數(shù)千公里之外。

納米級光學實驗室的研究生 Bart Machielse 說：“該裝置結(jié)合了量子中繼器的三個最重要的元素，較長的存儲時間、有效地從光子中捕獲信息的能力，以及就地進行處理的方式。這些挑戰(zhàn)中的每一個問題之前都得到了單獨解決，但是沒有一個設(shè)備將這三個問題結(jié)合在一起。”

研究人員表示，“當前，我們正通過在真實的城市光纖鏈路中部署量子存儲器來擴展這項研究。我們計劃創(chuàng)建糾纏大型量子存儲器網(wǎng)絡(luò)，并探索量子互聯(lián)網(wǎng)的首次應(yīng)用。”Lukin 說：“這是首次系統(tǒng)級演示，結(jié)合了納米制造、光子學和量子控制方面的重大進展，顯示了在使用量子中繼器節(jié)點進行信息傳輸方面的明顯量子優(yōu)勢。我們期待著開始探索使用這些技術(shù)的獨特新應(yīng)用。”
（責任編輯：fqj）