全球量子互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵：新型量子中繼器

使量子計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的物理學(xué)對擾動非常敏感。目前，這些計(jì)算機(jī)很難像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣遠(yuǎn)距離相互共享數(shù)據(jù)，在這種情況下，中間計(jì)算可能會從一臺服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一臺服務(wù)器。但為了推動量子分布式計(jì)算，科學(xué)家們開發(fā)了一種“量子中繼器（quantum repeater）”，可以幫助通過當(dāng)今電信公司使用的光纖電纜連接此類計(jì)算機(jī)。一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，這將使量子計(jì)算機(jī)能夠在不需要衛(wèi)星連接的情況下跨越數(shù)十公里，理論上可以跨越數(shù)百公里。

量子物理學(xué)使一種被稱為糾纏的奇怪現(xiàn)象成為可能。從本質(zhì)上講，兩個或兩個以上的粒子（如光子）連接或“糾纏”在一起，理論上可以相互影響，無論它們相距多遠(yuǎn)。糾纏對量子計(jì)算機(jī)的工作至關(guān)重要，量子計(jì)算機(jī)理論上可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

量子網(wǎng)絡(luò)可以連接量子計(jì)算機(jī)，也有助于實(shí)現(xiàn)受理論上防黑客量子加密保護(hù)的信息的量子通信。此外，它們可以幫助非常精確的量子傳感器以陣列的形式連接在一起，在許多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的精度，例如幫助探測隱藏的地下資源和采礦等。

“作為一名科學(xué)家，我個人更感興趣的是傳感應(yīng)用，以及它們能為我們周圍的世界提供什么見解，”該研究的資深作者、奧地利因斯布魯克大學(xué)的量子物理學(xué)家Ben Lanyon說。

量子網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的資金正在緩慢增長。例如，量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Quantum Internet Alliance）于2022年啟動了一項(xiàng)為期七年的計(jì)劃，旨在在歐洲建立一個創(chuàng)新的量子互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，其第一階段的預(yù)算為2400萬歐元（約2600萬美元）。此外，2021年，美國能源部宣布將投入600萬美元開發(fā)用于發(fā)送和接收量子網(wǎng)絡(luò)流量的新設(shè)備，并進(jìn)一步投入2500萬美元開發(fā)區(qū)域規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)測試平臺。量子互聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)公司也在獲得資金，例如，紐約石溪大學(xué)的子公司Qunect在2022年籌集了850萬美元的a輪融資。

先前的研究表明，衛(wèi)星可以幫助相距1000多公里的地面站之間傳輸量子信號。然而，科學(xué)家們也希望建立基于光纖的量子網(wǎng)絡(luò)，原因與絕大多數(shù)現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)流量通過光纖而非衛(wèi)星運(yùn)行的原因相同。光纖支持更大的帶寬；體驗(yàn)更少的延遲，因?yàn)樗梢灾苯舆B接兩個點(diǎn)，而不需要信號從衛(wèi)星上反彈；Lanyon解釋說，它不易受到來自陽光，天氣，或噪音的影響。

盡管如此，在長距離的情況下，光子在光纖中丟失的可能性越來越大。為了克服這個問題，科學(xué)家們試圖制造量子中繼器，這種設(shè)備可以作為發(fā)射器和接收器之間的中間中繼節(jié)點(diǎn)，幫助量子信號傳播。量子中繼器的第一個藍(lán)圖是25年前開發(fā)出來的。

此前，Lanyon和他的同事使用光纖幫助兩個離子在230米的距離內(nèi)糾纏?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)建造了一個量子中繼器，可以幫助量子信號穿越50公里。此外，這些發(fā)現(xiàn)表明，這些設(shè)備的鏈可以幫助量子信息傳播10倍以上的距離，這是現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)際量子網(wǎng)絡(luò)所需的長度。

理想情況下，科學(xué)家們指出，量子中繼器應(yīng)該具備三個關(guān)鍵能力。首先，他們應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的電信波長光子，與其他波長相比，這些光子在光纖中傳播的損失更小。其次，它們應(yīng)該擁有量子存儲器，這種設(shè)備可以幫助中繼器存儲并中繼糾纏數(shù)據(jù)。第三，中繼器應(yīng)該能夠以可預(yù)測的方式在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間交換這些數(shù)據(jù)，而不是太容易受到偶然性的影響。

研究人員現(xiàn)在首次開發(fā)了一種量子中繼器，將所有這些功能整合在一個系統(tǒng)中。Lanyon說：“以前曾單獨(dú)展示過成熟的量子中繼器節(jié)點(diǎn)，但它們并沒有全部組合在一起?！?/p>

其中一個新的中繼器擁有一對在離子阱中捕獲的鈣離子，用作兩個量子存儲器。當(dāng)被紫色激光脈沖照射時(shí)，它們各自發(fā)射一個與離子糾纏的光子。另一個設(shè)備將這些光子中的每一個轉(zhuǎn)換為1550納米電信波長的光。然后，一個光子被沿著25公里長的光纖線軸發(fā)送到一個節(jié)點(diǎn)，而另一個光子則被引導(dǎo)通過另一個線軸到達(dá)另一個節(jié)點(diǎn)。中繼器然后交換離子的糾纏數(shù)據(jù)，使光子及其節(jié)點(diǎn)在50公里的總距離內(nèi)糾纏。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，中繼器可以幫助以每秒9.2的速度傳輸糾纏光子。相比之下，在實(shí)驗(yàn)中，他們在沒有中繼器的情況下，將糾纏光子從一個點(diǎn)直接傳輸?shù)搅硪粋€點(diǎn)，傳輸距離為50公里，其速率約為每秒6.7。盡管中繼器在50公里處可能只提供一個小優(yōu)勢，但研究人員計(jì)算出，如果沒有中繼器，在100公里以上的距離處，傳輸速率會顯著下降。

此外，Lanyon和他的同事計(jì)算出，只要稍作調(diào)整，在一個鏈中使用17個這種中繼器的副本，就可以在800公里的距離上傳輸糾纏光子，盡管傳輸速率下降了十倍。

Lanyon指出，盡管捕獲的離子對當(dāng)今光和物質(zhì)的量子態(tài)提供了最精確的控制，但離子陷阱目前“相當(dāng)大且笨重”。他說：“其他人研究了基于固態(tài)系統(tǒng)的量子中繼器，如氮空位中心微觀人造鉆石，其中碳原子被氮原子取代，相鄰的碳原子缺失?！?/p>

然而，盡管固態(tài)量子中繼器可能被證明更精簡和可擴(kuò)展，但Lanyon說，目前“固態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的量子控制水平還不在離子水平。然而，盡管固態(tài)量子中繼器可能被證明更精簡和可擴(kuò)展，但Lanyon說，目前“固態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的量子控制水平還不在離子水平”。

未來，除了建立中繼器鏈外，科學(xué)家們還想進(jìn)行并行發(fā)送大量光子的實(shí)驗(yàn)。Lanyon說：“這種‘多?！孔泳W(wǎng)絡(luò)是未來可加速的地方?！?/p>

科學(xué)家們在5月22日的《物理評論快報(bào)》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。