三个独立的研究小组已经展示了量子纠缠——其中两个或多个物体相互关联，即使它们相距遥远，也包含相同的信息——在真实城市区域的数公里现有光纤上实现。这项壮举是迈向未来量子互联网的关键一步，量子互联网是一种可以在量子态编码信息的同时交换信息的网络。
奥地利因斯布鲁克大学的物理学家特蕾西·诺斯鲁普说，总的来说，这些实验是迄今为止量子互联网所需技术的“最先进演示”。因斯布鲁克大学的另一位物理学家西蒙·拜尔说，美国、中国和荷兰的三个研究团队都能够使用光谱中适合光纤的红外部分的光子连接网络的部分，这是一个“重要的里程碑”。
量子互联网可以使任何两个用户建立几乎牢不可破的密码密钥来保护敏感信息。但是，充分利用量子纠缠可以做更多的事情，例如将独立的量子计算机连接成一台更大、更强大的机器。这项技术还可以实现某些类型的科学实验，例如通过创建光学望远镜网络，使其具有数百公里宽的单面镜的分辨率。
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其中两项研究于 5 月 15 日发表在《自然》杂志上。第三项研究在上个月发布在 arXiv 上的预印本中进行了描述，该预印本尚未经过同行评审。
不切实际的环境
在过去十年左右的时间里，实验室已经演示了构建量子互联网的许多技术步骤。研究人员已经表明，他们可以使用激光在彼此的直接视线范围内产生纠缠光子，无论是在不同的地面位置还是在地面和太空中。
荷兰代尔夫特理工大学的荷兰实验负责人、物理学家罗纳德·汉森说，但从实验室走向城市环境是“完全不同的事情”。研究人员一致认为，为了构建大型网络，可能需要使用现有的光纤技术。问题是，量子信息非常脆弱且无法复制；它通常由单个光子携带，而不是由可以被检测到，然后再放大并再次发射的激光脉冲携带。这限制了纠缠光子在损耗使整个事情变得不切实际之前只能传播几十公里。“它们还受到全天温度变化的影响——如果它们在地面以上，甚至会受到风的影响，”诺斯鲁普说。“这就是为什么在实际城市中产生纠缠是一件大事。”
这三项演示都使用了不同类型的“量子存储”设备来存储量子比特，量子比特是一种物理系统，例如光子或原子，它可以处于两种状态之一——类似于普通计算机比特的“1”或“0”——或者处于两种可能性的组合或“量子叠加”状态。
在《自然》杂志的一项研究中，由中国科学技术大学（USTC）的潘建伟在合肥领导，量子比特被编码在铷原子云的集体状态中。量子比特的量子态可以使用单个光子设置，也可以通过“挠痒痒”原子云以发射光子来读取。潘的团队在合肥地区的三个独立实验室中设置了这样的量子存储器。每个实验室都通过光纤连接到大约 10 公里外的中央“光子服务器”。如果来自两个原子云的光子在完全相同的时间到达服务器，则这些节点中的任何两个都可以处于纠缠状态。
相比之下，汉森和他的团队在嵌入小钻石晶体中的单个氮原子与量子比特之间建立了联系，量子比特被编码在氮的电子态和附近碳原子的核态中。他们的光纤从代尔夫特大学出发，经过一条曲折的 25 公里路径，穿过海牙郊区，到达城市中的第二个实验室。
在美国实验中，马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金和他的合作者也使用了基于金刚石的设备，但用硅原子代替氮原子，利用了电子和硅核的量子态。单个原子在按需发射光子方面不如原子集合有效，但它们用途更广泛，因为它们可以执行基本的量子计算。“基本上，我们纠缠了两台小型量子计算机，”卢金说。这两个基于金刚石的设备位于哈佛大学的同一栋楼内，但为了模拟城市网络的条件，研究人员使用了一根在当地波士顿地区蜿蜒的光纤。“它穿过查尔斯河六次，”卢金说。
前方的挑战
中国和荷兰团队使用的纠缠程序要求光子以精确的定时精度到达中央服务器，这是实验的主要挑战之一。卢金的团队使用了一种不需要如此精细调整的协议：研究人员没有通过让量子比特发射光子来纠缠它们，而是发送一个光子使其自身与第一个节点处的硅原子纠缠。然后，同一个光子绕着光纤环路运行，然后返回掠过第二个硅原子，从而使其与第一个硅原子纠缠。
潘计算出，按照目前的发展速度，到本十年末，他的团队应该能够使用十个左右的中间节点，通过一种称为纠缠交换的程序，在 1,000 公里的光纤上建立纠缠。（他补充说，起初，这种链接会非常慢，可能每秒产生一个纠缠。）潘是使用卫星墨子号项目的首席研究员，该卫星展示了首次在太空进行量子通信，他说有后续任务的计划。
汉森说：“这一步现在真的已经从实验室迈向了实际应用领域。” “这并不意味着它在商业上已经有用，但这是一个很大的进步。”
本文经许可转载，并于 2024 年 5 月 15 日首次发表。