在钻石中保存量子态：迈向量子互联网的一小步
北京时间4月2日消息，在一项新研究中，科学家新创建的一个系统使得在更长距离上加强量子通信成为可能。这是迈向量子互联网的一小步，但却是至关重要的一步。
用于存储量子信息以扩展量子通信范围的设备的扫描电子显微图
目前我们还处于一场量子“大发展”的初期阶段，研究人员正尝试利用奇特的数学系统来控制亚原子粒子，从而增强计算和通信能力。对量子科学家来说，这个时代的核心目标之一便是在更大尺度上建立传输量子信息的网络，这将推动密码学、传感技术甚至分布式量子计算的发展。不过，目前这些都还是理论上的设想，如果没有中继器等组件来扩展量子信息的传播距离，或者没有能将量子信息转换成可传输光子的传感器，那这样的网络就不可能真正存在。这项新研究使量子通信领域距离量子中继器的发明更近了一步。
“传统的中继器会测量信号并进行放大，”哈佛大学物理学研究生Mihir Bhaskar说，“这就是所有信息传播到世界各地的方式。在构建量子网络时，我们也在尝试做类似的事情，不同的是，我们是在与单光子通信。”
如今，我们的网络以比特的形式传送信息，但某些自然系统，如光子或绕原子运行的电子，可以通过它们的属性存储更丰富的信息。更重要的是，这些系统可能会纠缠在一起，使得在相隔较远的点上的重复测量结果具有比常规概率允许的更大相关性。量子信息科学家认为，或许在不久的将来，他们可以利用具备这些属性的网络来发送不可破解的信息，提高传感器的功能，或者执行一些我们现在还想象不到的任务。
所有这一切的核心挑战之一便是如何解决远距离发送量子信息的困难。这些信息被编码成单个光子，而在数公里长的光缆中，光子很可能会丢失。任何网络，如果想要使连接节点之间的距离大于一个城镇的范围，就需要中继器来放大信号。然而，对量子信息网络来说，这是一个相当大的挑战。与常规中继器不同，我们不可能精确地复制一个量子态，因为对量子态的测量本身就会将其破坏。
哈佛大学和麻省理工学院的研究团队开发了一个中心节点，可以有效地将信息传播的距离缩短一半。该系统设置在一台接近绝对零度的稀释制冷机内，包含一块具有“空位”的钻石。所谓的“空位”，其实是由用单个硅原子取代两个碳原子时所产生一个区域，可以在稀释制冷机内部的极度低温中暂时储存量子态的光子。
该系统从A点接收传入的光子，然后将光子的状态（在不使其破坏的情况下）保存足够长的时间，以接收一个来自B点的光子。在这些光子经过足够的同步和纠缠之后，中心节点会生成一个密钥，在两点之间起到关联作用。与此同时，该密钥也只对A、B两点具有意义。之后，双方就可以使用这个密钥对消息进行加密和解密。
研究人员在近期的《自然》（Nature）杂志上发表了他们的研究成果。Bhaskar解释道，这还不是一个可以将量子信息直接从A点传到B点的中继器，而是最终达到这一目标的关键缺失要素，即作为量子信息（以光的形式存储）与中间节点之间的中间接口。研究人员正在努力证明，他们可以把信息从A点发送到节点，然后再发送到B点，或者甚至可以通过在两个节点之间放置更多的钻石单元来扩展范围。
在这个系统成为长距离量子通信的一部分之前，研究人员还必须进行很多其他的改进。该系统需要在两个真正独立的机构之间发挥作用，而不仅仅是作为实验室里的工作站。此外，该系统目前的工作波长与最适合光纤电缆使用的波长不同，它需要一种将信号转换成这些波长的方法。
一些没有参与这项研究的研究者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的主任巴里·桑德斯（Barry Sanders）表示，这是“一个令人兴奋的原理证明”，不仅因为它展示了量子记忆的方式，而且还通过测量证实了光子之间的纠缠。但是他也指出，要将其扩大到更实际的用途，还有很长的路要走。
美国西北大学光子通信与计算中心主任普雷姆·库马尔（Prem Kumar）也没有参与这项研究，他认为这是一项值得注意的工作，也是迈向最终发明量子中继器的关键一步——尽管这也只是众多必要的步骤之一。库马尔还强调，短时间内开发出成熟的量子网络是不可能的。
世界各地的科学家正在对各方面的问题进行研究，试图开发出最终的量子互联网。研究人员已经在芝加哥和波士顿地区设计了光纤线路，以便在更短的距离内进行更多类似的实验。由中国科学技术大学的潘建伟领导的量子研究，已经成功地在实验室的50公里量子态线圈中使保存的量子态发生纠缠；并以“墨子”号卫星为中介，使世界不同实验室的光子发生纠缠。不过，这些都只是一个更大谜题的某一部分，最终必须整合在一起，并克服其他必须解决的问题。比如前面提到的转换器，它必须能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，这项新研究都是一个令人振奋的进步，但正如库马尔所说，未来的量子互联网还处于朦胧之中，我们刚踏出马拉松的最初几步。
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