（文章來源：科技報告與資訊）

量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來發(fā)送無法破解的消息，提高GPS的準確性，并支持基于云的量子計算。二十多年來，創(chuàng)建這樣一個量子網(wǎng)絡的夢想在很大程度上一直遙不可及，因為很難在遠距離無損失地發(fā)送量子信號。現(xiàn)在，哈佛大學和麻省理工學院的研究人員找到了一種方法，可以利用原型量子節(jié)點來糾正信號丟失，該量子節(jié)點可以捕獲，存儲和糾纏量子信息。該研究是通向實用量子互聯(lián)網(wǎng)的缺失環(huán)節(jié)，也是長距離量子網(wǎng)絡發(fā)展的重要一步。

哈佛量子計劃主任物理學教授兼聯(lián)合研究專家Mikhail Lukin表示：“該演示是一項概念性突破，可以擴展盡可能長的量子網(wǎng)絡范圍，并有可能以任何現(xiàn)有技術都無法實現(xiàn)的方式啟用許多新應用。這是實現(xiàn)我們量子科學和工程界超過二十年的目標的實現(xiàn)。”

從第一臺電報機到當今的光纖互聯(lián)網(wǎng)，每一種通信技術都必須解決這樣一個事實，即信號在遠距離傳輸時會衰減并丟失。開發(fā)的第一批中繼器，用于接收和放大信號以糾正這種損耗，它們的開發(fā)是為了放大1800年代中期的衰落有線電報信號。200年后，中繼器已成為我們遠程通信基礎設施不可或缺的一部分。

在經(jīng)典網(wǎng)絡中，如果紐約的愛麗絲想向加利福尼亞的鮑勃發(fā)送一條消息，則該消息或多或少地沿直線傳播。在此過程中，信號通過中繼器，在其中讀取，放大和糾正錯誤。整個過程在任何時候都容易受到攻擊。但是，如果愛麗絲想發(fā)送量子消息，則過程有所不同。量子網(wǎng)絡使用光的量子粒子（單個光子）在長距離上傳遞光的量子態(tài)。這些網(wǎng)絡具有經(jīng)典系統(tǒng)所沒有的一個技巧：糾纏。

糾纏，愛因斯坦稱之為“遠距離的怪異動作”，允許信息的比特在任何距離上都可以完美關聯(lián)。由于不改變就無法觀察到量子系統(tǒng)，因此愛麗絲可以使用糾纏向鮑勃發(fā)送消息，而不必擔心竊聽者。此概念是應用量子密碼術的基礎，量子物理學定律可保證安全性。

然而，長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，使量子通信安全的物理原理也使得不可能使用現(xiàn)有的經(jīng)典中繼器來修復信息丟失。如果看不到信號，如何放大和校正信號？解決這一看似不可能完成的任務的過程涉及所謂的量子中繼器。與經(jīng)典中繼器不同，傳統(tǒng)中繼器通過現(xiàn)有網(wǎng)絡放大信號，而量子中繼器則創(chuàng)建了糾纏粒子網(wǎng)絡，可以通過該網(wǎng)絡傳輸消息。

本質上，量子中繼器是一種小型的專用量子計算機。在這樣的網(wǎng)絡的每個階段，量子中繼器必須能夠捕獲和處理量子信息的量子位以糾正錯誤，并將其存儲足夠長的時間，以便網(wǎng)絡的其余部分準備就緒。到目前為止，由于兩個原因，這是不可能的：首先，單光子很難捕獲。其次，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。

哈佛大學藝術與科學學院（FAS）的Mark Hyman Jr.教授，化學博士，以及麻省理工學院（MIT）的電機工程和計算機科學副教授Dirk Englund一直在努力利用該系統(tǒng)可以很好地完成這兩項任務-鉆石中的硅空位色心。這些中心是鉆石原子結構中的微小缺陷，可以吸收和輻射光，從而產(chǎn)生鉆石的鮮艷色彩。

“在過去的幾年中，我們的實驗室一直在努力理解和控制各個硅空位色心，特別是在如何將其用作單光子的量子存儲設備方面，” Lukin小組的研究生Mihir Bhaskar說。研究人員將一個單獨的色心整合到了納米加工的鉆石腔中，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，他們將設備放置在稀釋冰箱中，該冰箱的溫度接近絕對零值，然后將單個光子通過光纖電纜發(fā)送到冰箱中，在那里它們被色心有效地捕獲和捕獲。

該設備可以存儲幾毫秒的量子信息，足夠長的時間來將信息傳輸數(shù)千公里。嵌入空腔周圍的電極用于傳遞控制信號，以處理和保存存儲在存儲器中的信息。

納米級光學實驗室的研究生Bart Machielse說：“該設備結合了量子中繼器的三個最重要的元素-較長的存儲空間，有效地捕獲光子中信息的能力以及在本地進行處理的方式。這些挑戰(zhàn)中的每一個都得到了單獨解決，但是沒有一個設備將這三個問題結合在一起?！?/p>

Lukin研究組的博士后候選人Ralf Riedinger說：“目前，我們正在通過將量子存儲器部署在真實的城市光纖鏈路中來擴展這項研究。我們計劃創(chuàng)建糾纏的量子存儲器的大型網(wǎng)絡，并探索量子互聯(lián)網(wǎng)的首次應用?！薄斑@是首次系統(tǒng)級演示，結合了納米制造，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)點進行信息通信方面的明顯量子優(yōu)勢。我們期待著開始探索使用這些技術的獨特新應用。” Lukin說。

（責任編輯：fqj）