今天的互联网依靠连接的硅芯片运行，但未来的量子版本可能由钻石晶体制成。物理学家今天在《自然》杂志上报告说，他们已经将保存在相距 3 米的钻石碎片中的信息纠缠在一起，这样测量一个量子比特（qubit）的状态会立即确定另一个量子比特的状态——这是在远距离交换量子信息的必要步骤。
纠缠是使量子设备充满希望的奇异现象之一，阿尔伯特·爱因斯坦称之为“远距离幽灵般的动作”。量子互联网将使用在光纤电缆中传播的纠缠光子来依次纠缠量子比特，目的是有朝一日提供超安全的通信，或者向未来的量子计算机提供软件和数据。
量子比特本身类似于传统计算机中使用的比特，但可以存在于状态的叠加中，同时为“0”和“1”（量子怪异的另一个方面）。从理论上讲，连接的量子比特可以快速完成计算，而在经典计算机上，这些计算所需的时间将比宇宙的年龄还要长。远距离纠缠它们可能会实现牢不可破的通信：例如，如果消息的发送者和接收者拥有两组量子比特，它们共同提供加密密钥。
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远距离纠缠量子比特的技术壮举已经在其他系统中实现，包括捕获的离子和原子。虽然钻石仍在追赶，但快速的进展已迅速将其提升为量子网络候选名单中的佼佼者。“连接钻石芯片中的许多量子比特可能比扩大其他系统更容易，”荷兰代尔夫特理工大学的纳米科学家罗纳德·汉森说，他领导的团队在《自然》杂志上报告了这些结果。
有缺陷的钻石
钻石中的量子比特取决于材料碳晶格中的缺陷。当氮原子取代碳原子，并出现在结构中的间隙或空位旁边时，可以基于间隙中电子的自旋状态创建一个量子比特。它们的荧光使晶体呈现淡淡的粉红色。
为了在单独的钻石碎片中纠缠量子比特，该团队使用激光器在 10 开尔文的温度下将每个量子比特与光子纠缠。光子在光纤电缆中途相遇，它们自身在那里纠缠。这种过程的略有不同的形式首先应用于纠缠镱离子在 2007 年和中性铷原子在 2012 年（另见：“原子实现量子飞跃”）。
“这是一个非常漂亮的技术演示，”伊利诺伊州芝加哥大学的量子物理学家大卫·奥什洛姆说，他曾在钻石中研究量子比特，但没有参与这项研究。
这项过程效率还不是很高，加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的物理学家，也是最新研究的合著者莉莲·蔡尔德里斯说。研究人员每 1000 万次尝试中只实现一次纠缠，大约每十分钟一次。但她补充说，这与捕获的原子和离子中的首次实验相当。
该技术的一个重要目标是为所谓的量子中继器提供基础，这将使远距离量子通信成为可能。基于光子的纠缠在几百公里后会衰减，因为光纤电缆会吸收光，而增强信号会破坏纠缠。但是，纠缠量子中继器链可以将量子比特连接到更远的距离。
汉森说，尽管在连接用于量子计算的近距离量子比特方面，离子和原子系统比钻石更先进，保持着 14 个纠缠量子比特的记录，但钻石在连接网络中的远程处理器方面具有明显的优势。与捕获在高真空中的离子不同，钻石中的量子比特可以在室温下保持，因为该材料周围的碳晶格可以很好地屏蔽它们免受可能扰乱其叠加的杂散磁场或振动的影响。
研究人员去年表明，持续数十毫秒的钻石空位量子比特甚至可以转移到相邻碳或氮原子的原子核，从而创建可以存在数秒的“记忆”量子比特阵列，这在量子计算领域是永恒的。汉森说，此外，构建固态钻石芯片的组件听起来比创建数百个离子阱更容易。
在这个早期阶段，量子处理器还需要数十年才能问世，没有人准备好押注哪种系统会胜出。“你现在不能选出赢家，”英国牛津大学的物理学家约书亚·纳恩说。