（文章來源：36氪）

量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來發(fā)送不可破解的信息，提高 GPS 系統(tǒng)的精度，并支持基于云的量子計算。二十多年來，由于很難在沒有損失的情況下通過遠(yuǎn)距離發(fā)送量子信號，創(chuàng)建這樣一個量子網(wǎng)絡(luò)的夢想在很大程度上一直遙不可及。現(xiàn)在，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)找到了一種方法，用一個可以捕獲、存儲和糾纏量子信息比特的原型量子節(jié)點來校正信號丟失。這項成果 3 月 23 日在線發(fā)表在《自然》雜志上。

這項研究填補(bǔ)了通向?qū)嵱昧孔踊ヂ?lián)網(wǎng)的缺失環(huán)節(jié)，也是長距離量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步。哈佛量子計劃聯(lián)合主任、George Vasmer-Leverett 物理學(xué)教授 Mikhail Lukin 表示：“該成果是一項概念性的突破，可以擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)的最長范圍，并有可能以任何現(xiàn)有技術(shù)都無法實現(xiàn)的方式實現(xiàn)許多新應(yīng)用。這是我們的量子科學(xué)和工程界超過二十年的目標(biāo)的實現(xiàn)。”

從第一臺電報機(jī)到今天的光纖互聯(lián)網(wǎng)，每一種通信技術(shù)都必須解決信號在遠(yuǎn)距離傳輸時的退化和丟失問題。第一批中繼器是在 19 世紀(jì)中期發(fā)展起來的，用來接收和放大信號以彌補(bǔ)這種損失。200 年后，中繼器已成為我們遠(yuǎn)程通信基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。

在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中，如果紐約的 Alice 想向加利福尼亞的 Bob 發(fā)送一條消息，那么這個信息在一條直線上從一個海岸傳遞到另一個海岸。在此過程中，信號通過中繼器，在中繼器中被讀取、放大并校正錯誤。整個過程中也十分容易受到攻擊。但是，如果 Alice 想發(fā)送量子消息，過程則有所不同。量子網(wǎng)絡(luò)使用光的量子粒子 - 單個光子 - 來遠(yuǎn)距離傳輸光的量子態(tài)。這些網(wǎng)絡(luò)具有經(jīng)典系統(tǒng)所沒有的技巧：糾纏。

糾纏被愛因斯坦稱為 “遠(yuǎn)距離的恐怖行為”，可使信息的比特在任何距離上都完美關(guān)聯(lián)。由于不改變就無法觀察到量子系統(tǒng)，因此 Alice 可以使用糾纏向 Bob 發(fā)送消息，而不必?fù)?dān)心竊聽者。這一概念是應(yīng)用量子密碼術(shù)的基礎(chǔ)，量子物理學(xué)定律保證了安全性。

然而，遠(yuǎn)距離的量子通信也受到常規(guī)光子損耗的影響，這是實現(xiàn)大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的主要障礙之一。但是，量子通信超安全的物理原理也使得不可能使用現(xiàn)有的經(jīng)典中繼器來修復(fù)信息丟失。如果看不到信號，該如何放大和校正信號呢？這個看似不可能的難題，意味著需要一個所謂的量子中繼器。

本質(zhì)上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算機(jī)。在這樣一個網(wǎng)絡(luò)的每個階段，量子中繼器必須能夠捕獲和處理量子信息的量子比特以糾正錯誤，并將其存儲足夠長的時間，以便網(wǎng)絡(luò)的其余部分準(zhǔn)備就緒。到目前為止，由于兩個方面的原因?qū)е逻@是不可能的：第一，單光子很難捕獲。第二，眾所周知，量子信息非常脆弱，因此長時間處理和存儲非常具有挑戰(zhàn)性。

哈佛大學(xué) Lukin 實驗室與麻省理工學(xué)院（MIT）電子研究實驗室一直致力于利用一種能很好地完成這兩項任務(wù)的系統(tǒng)——金剛石中的硅空位色心（silicon-vacancy color centers）。這些中心是鉆石原子結(jié)構(gòu)中的微小缺陷，可以吸收和輻射光，從而產(chǎn)生鉆石的鮮艷色彩。

Lukin 研究組的研究生 Mihir Bhaskar 表示：“在過去的幾年中，我們實驗室一直在努力理解和控制各個硅空位色心，特別是如何將它們用作單光子的量子存儲設(shè)備。”研究人員將 一個單獨的色心整合到了納米金剛石腔中，從而限制了承載信息的光子，并迫使它們與單個色心相互作用。然后，他們將該裝置放置在溫度接近絕對零度的冰箱中，并通過光纖電纜將單個光子送入冰箱，在那里它們被色心有效捕獲和捕獲。

結(jié)果表明，該裝置可以存儲毫秒級的量子信息足夠長的時間，以將信息傳輸數(shù)千公里之外。納米級光學(xué)實驗室的研究生 Bart Machielse 說：“該裝置結(jié)合了量子中繼器的三個最重要的元素，較長的存儲時間、有效地從光子中捕獲信息的能力，以及就地進(jìn)行處理的方式。這些挑戰(zhàn)中的每一個問題之前都得到了單獨解決，但是沒有一個設(shè)備將這三個問題結(jié)合在一起。”

研究人員表示，“當(dāng)前，我們正通過在真實的城市光纖鏈路中部署量子存儲器來擴(kuò)展這項研究。我們計劃創(chuàng)建糾纏大型量子存儲器網(wǎng)絡(luò)，并探索量子互聯(lián)網(wǎng)的首次應(yīng)用。”Lukin 說：“這是首次系統(tǒng)級演示，結(jié)合了納米制造、光子學(xué)和量子控制方面的重大進(jìn)展，顯示了在使用量子中繼器節(jié)點進(jìn)行信息傳輸方面的明顯量子優(yōu)勢。我們期待著開始探索使用這些技術(shù)的獨特新應(yīng)用。”
（責(zé)任編輯：fqj）