量子技术是未来的发展方向，但这个未来会到来吗？
也许会。物理学家们通过构建一个基本的网络，用于交换和存储量子信息，从而为可行的量子未来扫清了更多障碍。该网络具有两个通用的节点，可以发送、接收和存储量子信息，并通过光纤电缆连接，光纤电缆以单个光子的形式将信息从一个节点传输到另一个节点。
该网络只是一个原型，但如果能够改进和扩大规模，它可能会成为中继量子信息的通信通道的基础。德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所 (M.P.Q.) 的一个小组在4月12日出版的《自然》杂志上描述了这一进展。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
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量子比特是量子信息技术的核心。日常电子设备中的普通经典比特可以存储两个值之一：0 或 1。但由于量子力学固有的不确定性，量子比特可以处于所谓的叠加态，在 0 和 1 之间犹豫不决，这为其携带的信息增加了一层复杂性。量子计算机将拥有超越最强大的经典超级计算机的能力，并且基于量子比特交换的密码协议将比传统的加密方法更安全。
物理学家们已经使用各种量子物体来存储量子比特——电子、原子核、光子等等。在新的演示中，网络每个节点上的量子比特都存储在被困在反射光学腔中的单个铷原子的内部量子态中。然后，原子可以通过发射单个光子，经由光纤传输其存储的信息，该光子的偏振态带有其母原子量子态的标记；相反，原子可以从光纤中吸收光子，并获得印在该光子偏振态上的量子态。
由于每个节点都可以执行各种功能——发送、接收或存储量子信息——基于光学腔中原子的网络可以通过简单地连接更多通用节点来扩展。“我们试图构建一个网络节点通用的系统，”M.P.Q. 物理学家斯蒂芬·里特（Stephan Ritter）说，他是该研究的作者之一。“它不仅能够发送或接收——理想情况下，它可以完成您可以想象的所有事情。” 这种系统的各个部分已经被证明——原子在单个发射光子上发送量子信息，例如——但现在技术已经足够先进，它们可以作为一个整体工作。“这一切现在已经结合在一起，使我们能够实现这个量子网络的初级版本，”里特说。
物理学家在 15 年前提出了使用光学腔进行量子网络的想法，因为它们结合了原子量子比特和光子量子比特的最佳特性——即原子保持静止，使其成为理想的存储介质，而光子速度快，使其成为静止节点之间理想的消息载体。但让光子和原子相互通信一直是一个挑战。“如果你想使用单个原子和单个光子，就像我们所做的那样，它们几乎不相互作用，”里特补充道。
这就是光学腔的用武之地。腔体的镜子将光子反射经过铷原子数万次，增加了相互作用的机会。“在这段时间里，有足够的时间以可靠的方式真正完成这种信息交换，”里特说。“腔体增强了光场和原子之间的耦合。”
M.P.Q. 小组对他们的原型网络进行了一系列测试——将量子比特从单个光子转移到单个原子，并反转该过程以将信息从原子转移到光子上。结合这些读/写操作，物理学家们成功地将一个量子比特从一个铷原子传输到另一个位于 21 米外独立实验室中的铷原子，使用信使光子作为节点之间的载体。（连接两个节点的光纤的实际长度为 60 米，因为它沿着一条间接路线蜿蜒延伸。）
大量光子在传输过程中丢失，限制了该过程的效率。但原则上，光纤可以连接更远距离的节点。“我们绝对不受这 21 米的限制，”里特说。“这 21 米只是我们两个实验室之间恰好有的距离。”
研究人员还证明，他们的光子链路可以用来纠缠两个遥远的原子。量子纠缠是一种现象，即两个粒子共享相关的属性——换句话说，一个粒子的量子态取决于其纠缠伙伴的状态。因此，即使一个粒子位于另一个实验室中，操纵其中一个粒子也会影响另一个粒子的状态。研究人员希望可以利用纠缠来规避光子通过光纤传输时造成的损失。在一种名为量子中继器的提议应用中，一系列通过纠缠连接的节点将沿着线路扩展量子连接，而无需依赖任何一个光子作为载体。
里特承认，这项新工作只是一个原型，并且可以进行许多改进。例如，实验室之间量子态的转移仅在 0.2% 的时间内成功，这归因于各种效率低下和技术限制。“一切都处于可以完成的边缘，”他说。“所有这些特性都足以完成我们所做的事情，但有明确的策略可以追求，使其变得更好。”