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

（文章來(lái)源：36氪）

量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來(lái)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(jì)算。二十多年來(lái)，由于很難在沒(méi)有損失的情況下通過(guò)遠(yuǎn)距離發(fā)送量子信號(hào)，創(chuàng)建這樣一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的夢(mèng)想在很大程度上一直遙不可及?，F(xiàn)在，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)找到了一種方法，用一個(gè)可以捕獲、存儲(chǔ)和糾纏量子信息比特的原型量子節(jié)點(diǎn)來(lái)校正信號(hào)丟失。這項(xiàng)成果 3 月 23 日在線發(fā)表在《自然》雜志上。

這項(xiàng)研究填補(bǔ)了通向?qū)嵱昧孔踊ヂ?lián)網(wǎng)的缺失環(huán)節(jié)，也是長(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步。哈佛量子計(jì)劃聯(lián)合主任、George Vasmer-Leverett 物理學(xué)教授 Mikhail Lukin 表示：“該成果是一項(xiàng)概念性的突破，可以擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的最長(zhǎng)范圍，并有可能以任何現(xiàn)有技術(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)許多新應(yīng)用。這是我們的量子科學(xué)和工程界超過(guò)二十年的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?！?/p>

從第一臺(tái)電報(bào)機(jī)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(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的退化和丟失問(wèn)題。第一批中繼器是在 19 世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的，用來(lái)接收和放大信號(hào)以彌補(bǔ)這種損失。200 年后，中繼器已成為我們遠(yuǎn)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(gè)信息在一條直線上從一個(gè)海岸傳遞到另一個(gè)海岸。在此過(guò)程中，信號(hào)通過(guò)中繼器，在中繼器中被讀取、放大并校正錯(cuò)誤。整個(gè)過(guò)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(guò)程則有所不同。量子網(wǎng)絡(luò)使用光的量子粒子 - 單個(gè)光子 - 來(lái)遠(yuǎn)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(méi)有的技巧：糾纏。

糾纏被愛(ài)因斯坦稱為 “遠(yuǎn)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(wú)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?fù)?dān)心竊聽(tīng)者。這一概念是應(yīng)用量子密碼術(shù)的基礎(chǔ)，量子物理學(xué)定律保證了安全性。

然而，遠(yuǎn)距離的量子通信也受到常規(guī)光子損耗的影響，這是實(shí)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(lái)修復(fù)信息丟失。如果看不到信號(hào)，該如何放大和校正信號(hào)呢？這個(gè)看似不可能的難題，意味著需要一個(gè)所謂的量子中繼器。

本質(zhì)上來(lái)講，量子中繼器是一種小型的專用量子計(jì)算機(jī)。在這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)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(cuò)誤，并將其存儲(chǔ)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便網(wǎng)絡(luò)的其余部分準(zhǔn)備就緒。到目前為止，由于兩個(gè)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(zhǎng)時(shí)間處理和存儲(chǔ)非常具有挑戰(zhàn)性。

哈佛大學(xué) Lukin 實(shí)驗(yàn)室與麻省理工學(xué)院（MIT）電子研究實(shí)驗(yàn)室一直致力于利用一種能很好地完成這兩項(xiàng)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(guò)去的幾年中，我們實(shí)驗(yàn)室一直在努力理解和控制各個(gè)硅空位色心，特別是如何將它們用作單光子的量子存儲(chǔ)設(shè)備。”研究人員將 一個(gè)單獨(dú)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(gè)色心相互作用。然后，他們將該裝置放置在溫度接近絕對(duì)零度的冰箱中，并通過(guò)光纖電纜將單個(gè)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(chǔ)毫秒級(jí)的量子信息足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以將信息傳輸數(shù)千公里之外。

納米級(jí)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究生 Bart Machielse 說(shuō)：“該裝置結(jié)合了量子中繼器的三個(gè)最重要的元素，較長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間、有效地從光子中捕獲信息的能力，以及就地進(jìn)行處理的方式。這些挑戰(zhàn)中的每一個(gè)問(wèn)題之前都得到了單獨(dú)解決，但是沒(méi)有一個(gè)設(shè)備將這三個(gè)問(wèn)題結(jié)合在一起?！?/p>

研究人員表示，“當(dāng)前，我們正通過(guò)在真實(shí)的城市光纖鏈路中部署量子存儲(chǔ)器來(lái)擴(kuò)展這項(xiàng)研究。我們計(jì)劃創(chuàng)建糾纏大型量子存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)，并探索量子互聯(lián)網(wǎng)的首次應(yīng)用。”Lukin 說(shuō)：“這是首次系統(tǒng)級(jí)演示，結(jié)合了納米制造、光子學(xué)和量子控制方面的重大進(jìn)展，顯示了在使用量子中繼器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸方面的明顯量子優(yōu)勢(shì)。我們期待著開(kāi)始探索使用這些技術(shù)的獨(dú)特新應(yīng)用?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）