迈向量子互联网的一小步

在一项新的研究中，科学家创造的一个新系统使得加强远距离量子通信成为可能。这是迈向量子互联网的一小步，但却是至关重要的一步。

目前，我们仍处于量子“大发展”的初级阶段。研究人员正试图使用奇怪的数学系统来控制亚原子粒子，从而增强计算和通信能力。对于量子科学家来说，这个时代的核心目标之一是建立一个网络来更大规模地传输量子信息，这将促进密码学、传感技术甚至分布式量子计算的发展。然而，目前这些仍然是理论上的假设。如果没有中继器和其他组件来扩展量子信息的传播距离，或者没有传感器可以将量子信息转换成光子，那么这样的网络就不可能真正存在。新的研究使量子通信更接近量子中继器的发明。

“传统的中继器测量并放大信号，”哈佛大学物理学研究生米希尔·巴斯卡说。“所有信息都是这样传递到世界各地的。当构建量子网络时，我们也在尝试做类似的事情。不同之处在于，我们用单光子进行交流。”

今天，我们的网络以比特的形式传输信息，但是一些自然系统，如光子或电子在原子周围移动，可以通过它们的属性存储更多的信息。更重要的是，这些系统可能会纠缠在一起，使得在远处点的重复测量具有比传统概率允许的更大的相关性。量子信息科学家相信，也许在不久的将来，他们可以利用具有这些属性的网络发送牢不可破的信息，改善传感器的功能，或者执行一些我们仍然无法想象的任务。

所有这些的核心挑战之一是如何解决长距离传输量子信息的困难。这些信息被编码成一个光子，很可能在几公里长的光缆中丢失。任何想要使连接节点之间的距离大于城镇范围的网络都需要中继器来放大信号。然而，这对量子信息网络来说是一个相当大的挑战。与传统的中继器不同，我们无法精确复制量子态，因为量子态本身的测量会破坏它。

哈佛大学和麻省理工学院的研究团队开发了一种中心节点，可以有效地将信息传输距离缩短一半。该系统安装在接近绝对零度的稀释冰箱中，并包含一颗带有“空位”的钻石。所谓的“空位”实际上是由一个硅原子取代两个碳原子而形成的区域，它可以在稀释冰箱内极低的温度下暂时储存量子态的光子。

系统接收来自点A的入射光子，然后保存光子的状态(不破坏它)足够长的时间以接收来自点B的光子。在这些光子被同步和足够纠缠之后，中心节点将生成一个密钥，该密钥将在两个点之间起相关作用。同时，密钥仅对a点和b点有意义。之后，双方可以使用该密钥对消息进行加密和解密。

研究人员在最近的《自然》杂志上发表了他们的研究结果。巴斯卡解释说，这还不是一个可以将量子信息直接从点A传输到点B的中继器，而是最终实现这一目标的关键缺失元素，即作为量子信息(以光的形式存储)和中间节点之间的中间接口。研究人员正试图证明他们可以将信息从A点发送到节点，然后再发送到B点，甚至通过在两个节点之间放置更多菱形单元来扩大范围。

在这个系统成为长距离量子通信的一部分之前，研究人员必须做许多其他的改进。该系统需要在两个真正独立的机构之间运行，而不仅仅是作为实验室的工作站。此外，系统的当前工作波长不同于最适合光纤电缆的波长。它需要一种方法将信号转换成这些波长。

一些没有参与这项研究的研究人员对这项工作的技术成就表示赞赏。加拿大卡尔加里大学量子科学与技术研究所所长巴里·巴里·桑德斯(Barry Barry Sanders)表示，这是“令人兴奋的原理证明”，不仅因为它展示了量子记忆的方式，还通过测量证明了光子之间的纠缠。但他也指出，要将其扩大到更实际的用途，还有很长的路要走。

西北大学光子通信和计算中心主任普雷姆·库马尔也没有参与这项研究。他认为这是一项值得注意的工作，也是迈向量子中继器最终发明的关键一步——尽管这只是许多必要步骤中的一步。库马尔还强调，在短时间内发展成熟的量子网络是不可能的。

世界各地的科学家正在研究各种问题，并试图开发最终的量子互联网。研究人员在芝加哥和波士顿设计了光纤线路，以便在更短的距离内进行更多类似的实验。中国科技大学潘剑伟领导的量子研究在实验室成功地将保存的量子态纠缠在一个50公里长的量子态线圈中。以墨子卫星为中介，来自世界各地不同实验室的光子被纠缠在一起。然而，这些只是最终必须整合并克服其他必须解决的问题的更大难题的一部分。例如，上述转换器必须能够将存储在量子处理器中的量子信息转换成在光纤上传播的光子。

无论如何，这项新的研究是一个令人兴奋的进步，但正如库马尔所说，未来的量子互联网仍处于黎明，我们刚刚走出马拉松的最初几步。