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全尺寸量子计算机，以及研究人员期望它们实现的全部数值计算、密码破解和令人惊叹的处理能力，仍然只是物理学家和计算机科学家眼中的一丝希望。 这是一丝受到有希望的实验和理论工作支持的希望，但仍然只是一丝希望——迄今为止，仅构建了初步的量子处理器。
这样的计算机将利用量子比特或量子位的物理特性来扩展计算的范围。 普通比特可以是 0 或 1，而量子位可以同时处于 0 和 1 的叠加态——并且量子位可以是相互纠缠的，这意味着它们的属性是相互关联的。
在构建成熟的量子计算机的道路上，存在一个关键的实验里程碑，这将本身就是一个重大成就：构建一种更简单的设备，称为量子中继器，本质上是量子位的转发站，它可以实现量子通信系统，类似于已经广泛使用的光纤通信。 这些系统将利用与量子计算机相同的特性来远距离传输信息，信息被编码在光子量子位上。 过去一年左右取得了一系列进展，最新的进展在1月12日在线发表于《自然》杂志上的一对互补论文中有所报道，研究人员现在表示，量子中继器可能在未来五到十年内实现。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
两组物理学家利用掺杂稀土元素的晶体制成了量子存储器，这些存储器能够存储纠缠的光子，然后在短时间后释放出来。 例如，这种存储器对于远距离量子密码术非常有用，在远距离量子密码术中，来自纠缠对的单个光子被发送给希望共享唯一且安全链接的两方。 光子将充当一种共享的加密密钥，但问题是单个光子在光纤中的最大范围约为 100 公里。
“扩展范围的解决方案是中继器，” 哈佛大学物理学家 Mikhail Lukin 解释说，他没有参与新的研究，“中继器本质上是您沿着此通道插入的小型量子计算机，它们有助于清理和净化沿途的纠缠态。” 为了做到这一点，研究人员需要一种材料存储器，该存储器能够接收光子量子位，将其保持住以进行快速恢复，然后在量子特性完好无损的情况下重新发射它。 假设每 10 公里设置一个中继器，则每个光子都可以在其退化之前在其旅程中反复刷新。
尽管这两项研究在细节上有所不同，但两者都因将两个光子之间的纠缠态转移到其中一个光子和固体中的一组原子之间的纠缠态而引人注目。 这种量子交叉授粉以前已经实现过，但它通常涉及高度复杂的技术设置，例如用激光冷却到开尔文的几分之一的单个捕获原子（0 开尔文是绝对零度）。 另一方面，晶体存储器只需要通过更传统的方式冷却到几开尔文即可。
“激光冷却原子，我认为这是一项伟大的科学，但我感觉它有点太复杂，难以应用于实际应用，”阿尔伯塔省卡尔加里大学的 Wolfgang Tittel 说，他是其中一项研究的合著者，他表示晶体存储器所需的闭循环冷却器更接近于现成的技术。 “一旦你购买了它，你就拥有了它，而且我们的已经运行了一整年，”他说。 瑞士日内瓦大学的 Mikael Afzelius，是另一项研究的合著者，也发出了类似的论调。 “我们的固态方法可能被证明更具可扩展性，”他说，“这对于未来的量子网络非常重要。”
Tittel 的研究小组使用了一种掺杂了稀土金属铥的晶体，该晶体可以在七纳秒内保持光子，然后再释放它，量子态保持不变。 光子一旦被晶体存储器吸收，就会在存储器内的一组原子中产生激发，然后在短时间后以一种光学回波的形式再现光子。 该小组证明，回波光子保留了其与原始光子伴侣的纠缠。
另一个研究小组使用掺杂了另一种稀土金属钕的晶体也实现了类似的壮举。 Afzelius 和他的同事实现了长达 200 纳秒的更长存储时间，但他们的实验不允许他们验证一旦其中一个光子被存储在存储器中并从中检索出来后，两个光子之间的纠缠。
“我认为这是一项重大进展，”Lukin 说，他特别赞扬了晶体的宽带特性，这将使它们能够接收非常快速的光脉冲。 他指出，在可以实现用于中继器的实用量子存储器之前，必须对晶体存储器技术进行多项改进：更长的存储时间、更高的效率以及按需而不是在预定时间之后召回光子的能力。
当被单独询问时，Lukin、Tittel 和 Afzelius 都给出了大致相同的答案，即原型量子中继器可能还需要多久才能问世：五年，也许十年。 “如果你在三四年前问我，我会说要很长时间，”Tittel 说。 但是，仅在 2010 年就发表了一些重要的量子信息科学论文，情况正在好转。 “一切都差不多到位了，但一切都必须改进，”他说。 “从根本上讲，我可以看到前进的方向。”
Afzelius 补充说：“我认为我们预计在未来五到十年内，我们将看到实验室实验取得足够的进展，从而尝试在两个城市之间建立第一个实用的量子中继器链路。 从那时起，将我们的实验系统做得更紧凑和更经济实惠将是一项工程挑战，但我相信这在当前技术范围内是可以实现的。”