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量子互聯(lián)網(wǎng)可以用來(lái)發(fā)送無(wú)法破解的消息，提高GPS的準(zhǔn)確性，并支持基于云的量子計(jì)算。二十多年來(lái)，創(chuàng)建這樣一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)的夢(mèng)想在很大程度上一直遙不可及，因?yàn)楹茈y在遠(yuǎn)距離無(wú)損失地發(fā)送量子信號(hào)?，F(xiàn)在，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員找到了一種方法，可以利用原型量子節(jié)點(diǎn)來(lái)糾正信號(hào)丟失，該量子節(jié)點(diǎn)可以捕獲，存儲(chǔ)和糾纏量子信息。該研究是通向?qū)嵱昧孔踊ヂ?lián)網(wǎng)的缺失環(huán)節(jié)，也是長(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步。

哈佛量子計(jì)劃主任物理學(xué)教授兼聯(lián)合研究專(zhuān)家Mikhail Lukin表示：“該演示是一項(xiàng)概念性突破，可以擴(kuò)展盡可能長(zhǎng)的量子網(wǎng)絡(luò)范圍，并有可能以任何現(xiàn)有技術(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式啟用許多新應(yīng)用。這是實(shí)現(xiàn)我們量子科學(xué)和工程界超過(guò)二十年的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”

從第一臺(tái)電報(bào)機(jī)到當(dāng)今的光纖互聯(lián)網(wǎng)，每一種通信技術(shù)都必須解決這樣一個(gè)事實(shí)，即信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)會(huì)衰減并丟失。開(kāi)發(fā)的第一批中繼器，用于接收和放大信號(hào)以糾正這種損耗，它們的開(kāi)發(fā)是為了放大1800年代中期的衰落有線電報(bào)信號(hào)。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，如果紐約的愛(ài)麗絲想向加利福尼亞的鮑勃發(fā)送一條消息，則該消息或多或少地沿直線傳播。在此過(guò)程中，信號(hào)通過(guò)中繼器，在其中讀取，放大和糾正錯(cuò)誤。整個(gè)過(guò)程在任何時(shí)候都容易受到攻擊。但是，如果愛(ài)麗絲想發(fā)送量子消息，則過(guò)程有所不同。量子網(wǎng)絡(luò)使用光的量子粒子（單個(gè)光子）在長(zhǎng)距離上傳遞光的量子態(tài)。這些網(wǎng)絡(luò)具有經(jīng)典系統(tǒng)所沒(méi)有的一個(gè)技巧：糾纏。

糾纏，愛(ài)因斯坦稱(chēng)之為“遠(yuǎn)距離的怪異動(dòng)作”，允許信息的比特在任何距離上都可以完美關(guān)聯(lián)。由于不改變就無(wú)法觀察到量子系統(tǒng)，因此愛(ài)麗絲可以使用糾纏向鮑勃發(fā)送消息，而不必?fù)?dān)心竊聽(tīng)者。此概念是應(yīng)用量子密碼術(shù)的基礎(chǔ)，量子物理學(xué)定律可保證安全性。

然而，長(zhǎng)距離的量子通信也受到常規(guī)光子損耗的影響，這是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子互聯(lián)網(wǎng)的主要障礙之一。但是，使量子通信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(lái)修復(fù)信息丟失。如果看不到信號(hào)，如何放大和校正信號(hào)？解決這一看似不可能完成的任務(wù)的過(guò)程涉及所謂的量子中繼器。與經(jīng)典中繼器不同，傳統(tǒng)中繼器通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)放大信號(hào)，而量子中繼器則創(chuàng)建了糾纏粒子網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)傳輸消息。

本質(zhì)上，量子中繼器是一種小型的專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)階段，量子中繼器必須能夠捕獲和處理量子信息的量子位以糾正錯(cuò)誤，并將其存儲(chǔ)足夠長(zhǎng)的時(shí)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(gè)原因，這是不可能的：首先，單光子很難捕獲。其次，眾所周知，量子信息非常脆弱，因此長(zhǎng)時(shí)間處理和存儲(chǔ)非常具有挑戰(zhàn)性。

哈佛大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院（FAS）的Mark Hyman Jr.教授，化學(xué)博士，以及麻省理工學(xué)院（MIT）的電機(jī)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授Dirk Englund一直在努力利用該系統(tǒng)可以很好地完成這兩項(xiàng)任務(wù)-鉆石中的硅空位色心。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。

“在過(guò)去的幾年中，我們的實(shí)驗(yàn)室一直在努力理解和控制各個(gè)硅空位色心，特別是在如何將其用作單光子的量子存儲(chǔ)設(shè)備方面，” Lukin小組的研究生Mihir Bhaskar說(shuō)。研究人員將一個(gè)單獨(dú)的色心整合到了納米加工的鉆石腔中，從而限制了承載信息的光子，并迫使它們與單個(gè)色心相互作用。然后，他們將設(shè)備放置在稀釋冰箱中，該冰箱的溫度接近絕對(duì)零值，然后將單個(gè)光子通過(guò)光纖電纜發(fā)送到冰箱中，在那里它們被色心有效地捕獲和捕獲。

該設(shè)備可以存儲(chǔ)幾毫秒的量子信息，足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)將信息傳輸數(shù)千公里。嵌入空腔周?chē)碾姌O用于傳遞控制信號(hào)，以處理和保存存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的信息。

納米級(jí)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究生Bart Machielse說(shuō)：“該設(shè)備結(jié)合了量子中繼器的三個(gè)最重要的元素-較長(zhǎng)的存儲(chǔ)空間，有效地捕獲光子中信息的能力以及在本地進(jìn)行處理的方式。這些挑戰(zhàn)中的每一個(gè)都得到了單獨(dú)解決，但是沒(méi)有一個(gè)設(shè)備將這三個(gè)問(wèn)題結(jié)合在一起?！?/p>

Lukin研究組的博士后候選人Ralf Riedinger說(shuō)：“目前，我們正在通過(guò)將量子存儲(chǔ)器部署在真實(shí)的城市光纖鏈路中來(lái)擴(kuò)展這項(xiàng)研究。我們計(jì)劃創(chuàng)建糾纏的量子存儲(chǔ)器的大型網(wǎng)絡(luò)，并探索量子互聯(lián)網(wǎng)的首次應(yīng)用?！薄斑@是首次系統(tǒng)級(jí)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(diǎn)進(jìn)行信息通信方面的明顯量子優(yōu)勢(shì)。我們期待著開(kāi)始探索使用這些技術(shù)的獨(dú)特新應(yīng)用?！?Lukin說(shuō)。

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