美國(guó)的兩家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃建立一個(gè)新的量子網(wǎng)絡(luò)

美國(guó)的兩家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃建立一個(gè)新的量子網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)跨越48公里（30英里），將它們兩家的設(shè)施連接起來(lái)。該項(xiàng)目對(duì)于美國(guó)在開(kāi)發(fā)不可破解通信技術(shù)的全球競(jìng)賽中取得重要成果具有推動(dòng)作用。

該芝加哥地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的目的是探索一種利用量子糾纏的更可靠方法。量子糾纏是一種允許一對(duì)糾纏粒子（即使它們相隔數(shù)英里）作為量子比特即時(shí)共享其量子狀態(tài)的變化的現(xiàn)象。

它不會(huì)是世界上最長(zhǎng)的量子網(wǎng)絡(luò)，但該芝加哥倡議將通過(guò)利用固態(tài)材料構(gòu)建量子比特，開(kāi)創(chuàng)出一種獨(dú)特的方法。如果成功，該項(xiàng)目將為通過(guò)固態(tài)量子比特傳輸信息的更大量子網(wǎng)絡(luò)鋪平道路。

芝加哥大學(xué)的自旋電子學(xué)和量子信息學(xué)教授David Awschalom說(shuō)：“當(dāng)其他的量子網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)連接多個(gè)光纖段以擴(kuò)展通信鏈路時(shí)，我們的試驗(yàn)床關(guān)注的是產(chǎn)生穩(wěn)健、高效和可擴(kuò)展的量子糾纏的方法。一旦我們掌握了這方法，就可以通過(guò)連接多個(gè)鏈接，輕松地將試驗(yàn)床加以擴(kuò)展?！?/p>

美國(guó)能源部撥款了幾百萬(wàn)美元來(lái)資助這個(gè)新的量子網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將在一年左右的時(shí)間內(nèi)從阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室延伸到費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室。這兩家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)已建立了一個(gè)名為“芝加哥量子交換”(Chicago Quantum Exchange)的合作項(xiàng)目，它由Awschalom牽頭，是整個(gè)項(xiàng)目的先期項(xiàng)目。

利用該量子網(wǎng)絡(luò)作為新技術(shù)的試驗(yàn)床，研究人員可以對(duì)很多可能性進(jìn)行探索。量子網(wǎng)絡(luò)可能是安全通信的基石，并最終可能形成全球范圍的量子互聯(lián)網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)還可以幫助擴(kuò)大量子計(jì)算的規(guī)模，使量子增強(qiáng)的精密測(cè)量和計(jì)時(shí)儀器的實(shí)驗(yàn)成為可能。

中國(guó)和其他一些國(guó)家里的最大量子網(wǎng)絡(luò)主要依賴(lài)于基于光子或光粒子的量子比特。它們通常擔(dān)當(dāng)通過(guò)光纜傳播的移動(dòng)“飛行量子比特”。量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)常見(jiàn)方案是將糾纏光子用作在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間攜帶密鑰的信使。但是，這些光子傳播的時(shí)間越長(zhǎng)，它們被吸收或分散的可能性就越大，無(wú)法到達(dá)目的地。

相比之下，芝加哥量子交換項(xiàng)目將使用光子“飛行量子比特”，在位于量子網(wǎng)絡(luò)兩端的固態(tài)量子比特節(jié)點(diǎn)之間啟動(dòng)糾纏。一旦網(wǎng)絡(luò)任一端的固態(tài)量子比特共享糾纏量子態(tài)，它們就可以通過(guò)量子隱形傳態(tài)直接在彼此之間傳輸信息。

Awschalom解釋說(shuō)，固態(tài)量子比特是基于“固體中的原子或原子樣缺陷”。這些固態(tài)量子比特可包括晶體結(jié)構(gòu)中缺少原子的金剛石和碳化硅，或含有單原子雜質(zhì)的稀土礦物。這些材料與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)中使用的材料相近。

Awschalom說(shuō)：“與起著'飛行量子比特'作用的光子相比，固態(tài)量子比特壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定，并可以擴(kuò)展到大型系統(tǒng)?！?/p>

將成為美國(guó)這一新的量子網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)的地下光纜已經(jīng)存在，它們已經(jīng)在十幾年前作為伊利諾伊州高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一部分而安裝。研究人員計(jì)劃在光纖網(wǎng)絡(luò)的兩端構(gòu)建兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包含量子比特源、存儲(chǔ)器和轉(zhuǎn)換器。

這個(gè)新項(xiàng)目是美國(guó)加大量子科學(xué)研究力度的最重要?jiǎng)幼髦?。與此同時(shí)，亞洲和歐洲的國(guó)家也在競(jìng)相開(kāi)發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)。特別是中國(guó)已經(jīng)展示了光纖量子網(wǎng)絡(luò)如何與基于衛(wèi)星的量子通信合作，以便在世界范圍內(nèi)安全地傳輸信息。

開(kāi)發(fā)并發(fā)射自己的量子衛(wèi)星，這也是美國(guó)未來(lái)可能邁出的一步。Awschalom說(shuō)：“我們正在討論將來(lái)把量子衛(wèi)星作為附加節(jié)點(diǎn)并入地面節(jié)點(diǎn)以形成混合網(wǎng)絡(luò)的途徑。”