物理学家们在迈向未来量子互联网的道路上迈出了重要一步，他们在一个网络中连接了三个量子设备。量子互联网将实现超安全的通信，并解锁科学应用，例如用于引力波的新型传感器和具有前所未有分辨率的望远镜。研究结果于 2 月 8 日在 arXiv 预印本存储库中报告。
东京庆应大学的量子网络工程师 Rodney Van Meter 说：“这是一个巨大的进步。” Van Meter 补充说，尽管该网络尚未达到实际应用所需的性能，但它展示了一项关键技术，该技术将使量子互联网能够连接远距离的节点。
量子通信利用了量子领域独有的现象——例如基本粒子或原子以多种同时状态“叠加”的能力，或与其他粒子共享“纠缠”状态的能力。研究人员之前已经演示了三节点量子网络的原理，但最新的方法可能更容易实现实际应用。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
纠缠网络
量子通信的核心是存储在量子比特中的信息——量子比特是普通计算机中比特的量子等价物——量子比特可以被编程为处于“0”和“1”的叠加态。量子网络的主要目的是使用户设备上的量子比特能够与其他人设备上的量子比特纠缠。这种纠缠具有许多潜在用途，首先是加密：由于对纠缠物体进行测量总是相关的，通过重复读取其量子比特的状态，用户可以生成只有他们知道的秘密代码。
在最新的演示中，荷兰代尔夫特理工大学的物理学家 Ronald Hanson 和他的合作者以这样一种方式连接了三个设备，即网络中的任何两个设备最终都具有相互纠缠的量子比特。他们还将所有三个设备上的量子比特置于三向纠缠状态，除其他应用外，这可以使三个用户共享秘密信息。
代尔夫特设备的每一个都在合成金刚石晶体中存储量子信息——更准确地说，是在晶体缺陷的量子态中，其中氮原子取代了其中一个碳原子。
在这样的金刚石设备中，研究人员可以促使氮量子比特发射光子，光子将自动与原子的状态纠缠。然后，他们可以将光子漏斗到光纤中并将其传递到另一个设备，从而帮助在远程量子比特之间建立纠缠。在 2015 年的一项杰出实验中，代尔夫特团队成功地纠缠了两个基于金刚石的设备，并使用它们来证实量子力学的一些关键预测。
量子存储器
该团队最新实验中的三个设备之一——网络中间的那个——也被设置为在“量子存储器”中存储信息，量子存储器可以比其他量子比特保存数据更长时间，并且是建立三向纠缠的关键。存储器量子比特使用碳 13，这是一种非放射性同位素，约占天然碳的 1%。碳 13 的原子核中有一个额外的中子，因此它的作用类似于条形磁铁。研究人员使用氮缺陷中的活性电子作为传感器，以定位附近的碳 13 原子核。通过操纵电子，他们能够将碳原子核推入特定的量子态，将其变成额外的量子比特。这种碳量子存储器可以保持它们的 量子态 1 分钟或更长时间——这在亚原子世界中是永恒的。
碳存储器使研究人员能够分阶段建立他们的三设备网络。首先，他们将一个终端节点与中心节点中的氮纠缠在一起。然后，他们将氮的量子态存储在碳存储器中。这使得中心氮量子比特可以与第三个节点上的量子比特纠缠。结果，中心设备有一个量子比特与第一个节点纠缠，另一个量子比特同时与第三个节点纠缠（参见“量子网络”）。
来源：Nature
这项技术需要多年的改进。碳量子比特需要充分与环境隔离，以便其量子态在物理学家进行进一步操作时能够存活下来——但仍应可访问，以便可以对其进行编程。“您想要存储量子态，因此应该对其进行屏蔽。但不应屏蔽太多，”Hanson 在 2018 年参观他的实验室时告诉一位记者。
奥地利因斯布鲁克大学的物理学家 Tracy Northup 说，这一挑战和其他挑战使该实验比双节点网络更困难。“一旦你认真尝试连接三个节点，它就会变得更加复杂。”
在一个节点中存储信息使该团队能够演示一种称为纠缠交换的技术，事实证明，纠缠交换对于未来的量子互联网至关重要，就像路由器对于当前的互联网一样。
材料问题
代尔夫特团队并不是第一个成功连接三个量子存储器的团队：2019 年，中国合肥中国科学技术大学的物理学家潘建伟领导的团队使用不同类型的量子比特（基于原子云而不是固体物体中的单个原子）做到了这一点。但 Northup 说，该实验尚无法按需产生纠缠。通过检测光子，合肥团队只能“追溯性地提取纠缠存在的事实”，而不是纠缠仍然可用于进一步使用。
Van Meter 说，原子云量子比特的功能更有限，因此合肥团队可能很难进行纠缠交换——尽管也许并非不可能。“对于潘小组，我永远不会说绝不。”
马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家 Mikhail Lukin 称代尔夫特实验“英勇”，但补充说，它的性能很慢，表明氮缺陷也存在局限性。Lukin 的团队正在使用硅缺陷在金刚石中进行类似的实验，他说硅缺陷与光子相互作用的效率更高。其他团队已经使用捕获在电磁场中的离子或稀土元素晶体中的缺陷构建了网络，这些缺陷可以与红外光子相互作用，红外光子可以沿着数千米的光纤传播而不会造成重大损失。（光纤不擅长携带金刚石中氮缺陷发射的可见光光子。）
Hanson 和他的合著者在他们的论文中建议，他们的技术将“为未来达到相同成熟度的类似平台提供指导”。
本文经许可转载，并于 2021 年 2 月 17 日首次发表。