荷蘭研究團隊在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域迎來新進展

據(jù)《自然》新聞2月17日報道，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)近日在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有了新進展。該校物理學(xué)家將三個量子設(shè)備連接在一個網(wǎng)絡(luò)中，向未來的量子互聯(lián)網(wǎng)邁出重要一步。

這項研究已于2月8日發(fā)布在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv，題為“Realization of a multi-node quantum network of remote solid-state qubits”。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)（Keio University）量子網(wǎng)絡(luò)工程師Rodney Van Meter表示，這項研究是向前邁出的一大步，盡管該網(wǎng)絡(luò)還沒有達(dá)到實際應(yīng)用所需的性能，但展示了使量子互聯(lián)網(wǎng)能夠連接遠(yuǎn)距離節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)。

量子互聯(lián)網(wǎng)可以理解為量子通信技術(shù)支撐的一種產(chǎn)生和使用量子資源的新型功能網(wǎng)絡(luò)?！傲孔踊ヂ?lián)網(wǎng)”不是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的替代，而是在互聯(lián)網(wǎng)上疊加新功能的基礎(chǔ)設(shè)施。

量子通信的核心是儲存在量子比特中的信息，量子網(wǎng)絡(luò)的主要目的則是使用戶設(shè)備上的量子比特與其他設(shè)備上的量子比特發(fā)生糾纏。這種糾纏有多種潛在用途，例如加密等等。

此前，已有其他研究人員演示過三節(jié)點量子網(wǎng)絡(luò)的原理，但《自然》新聞稱新方法更容易實現(xiàn)實際應(yīng)用。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家羅納德·漢森（Ronald Hanson）與他的合作者利用量子糾纏現(xiàn)象建立了連接三個量子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。每個設(shè)備持有一個量子比特的信息，可以與另外兩個發(fā)生糾纏。這樣的網(wǎng)絡(luò)可以成為未來量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

這些量子設(shè)備將量子信息儲存在人造金剛石晶體中，這些晶體的其中一個碳原子被氮原子取代。利用這些金剛石設(shè)備，研究團隊可以將光子導(dǎo)入光纖，并將其傳送到另一個設(shè)備，在遠(yuǎn)程量子比特之間建立糾纏。

量子存儲器（quantum memory）是建立三方糾纏的關(guān)鍵。這個“量子存儲器”可以比其他量子比特保存數(shù)據(jù)的時間更長，其中用到碳的非放射性同位素碳13。通過操縱電子，研究人員能夠推動碳原子核進入特定的量子態(tài)，把它變成一個額外的量子比特。這樣的量子存儲器可以在量子狀態(tài)保持1分鐘或更長時間。

上述存儲器使研究人員能夠分階段建立三個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。首先，他們將一個末端節(jié)點與中心節(jié)點通過氮原子糾纏在一起。然后，研究人員將氮原子的量子態(tài)儲存在存儲器中。這樣一來，中心節(jié)點作為量子比特的氮原子被釋放，使其能與第三個節(jié)點的量子比特發(fā)生糾纏。最后，中心設(shè)備的一個量子比特與第一個節(jié)點發(fā)生糾纏，另一個量子比特同時與第三個節(jié)點發(fā)生糾纏。

代爾夫特理工大學(xué)并不是第一個成功連接三個量子存儲器的團隊。2019年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團隊在《自然·光子學(xué)》雜志發(fā)表題為“Entanglement of three quantum memories via interference of three single photons”的研究。他們成功地利用多光子干涉將分離的三個冷原子量子存儲器糾纏起來，為構(gòu)建多節(jié)點、遠(yuǎn)距離的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。奧地利因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家特雷西·諾斯普（Tracy Northup）認(rèn)為，他們的實驗還不能按需發(fā)生糾纏。通過探測光子，研究團隊實現(xiàn)的是“追溯性地提取糾纏存在的事實”。

《自然》新聞評價稱，代爾夫特理工大學(xué)研究團隊通過將信息存儲在一個節(jié)點上演示了糾纏交換技術(shù)，“這種技術(shù)對于未來的量子互聯(lián)網(wǎng)來說，可能就像路由器對互聯(lián)網(wǎng)一樣重要”。
任編輯:tzh