美國的兩家國家實驗室計劃建立一個新的量子網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)跨越48公里（30英里），將它們兩家的設(shè)施連接起來。該項目對于美國在開發(fā)不可破解通信技術(shù)的全球競賽中取得重要成果具有推動作用。

該芝加哥地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的目的是探索一種利用量子糾纏的更可靠方法。量子糾纏是一種允許一對糾纏粒子（即使它們相隔數(shù)英里）作為量子比特即時共享其量子狀態(tài)的變化的現(xiàn)象。

它不會是世界上最長的量子網(wǎng)絡(luò)，但該芝加哥倡議將通過利用固態(tài)材料構(gòu)建量子比特，開創(chuàng)出一種獨特的方法。如果成功，該項目將為通過固態(tài)量子比特傳輸信息的更大量子網(wǎng)絡(luò)鋪平道路。

芝加哥大學(xué)的自旋電子學(xué)和量子信息學(xué)教授David Awschalom說：“當(dāng)其他的量子網(wǎng)絡(luò)項目強(qiáng)調(diào)連接多個光纖段以擴(kuò)展通信鏈路時，我們的試驗床關(guān)注的是產(chǎn)生穩(wěn)健、高效和可擴(kuò)展的量子糾纏的方法。一旦我們掌握了這方法，就可以通過連接多個鏈接，輕松地將試驗床加以擴(kuò)展。”

美國能源部撥款了幾百萬美元來資助這個新的量子網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將在一年左右的時間內(nèi)從阿貢國家實驗室延伸到費米國家加速器實驗室。這兩家國家實驗室和芝加哥大學(xué)已建立了一個名為“芝加哥量子交換”(Chicago Quantum Exchange)的合作項目，它由Awschalom牽頭，是整個項目的先期項目。

利用該量子網(wǎng)絡(luò)作為新技術(shù)的試驗床，研究人員可以對很多可能性進(jìn)行探索。量子網(wǎng)絡(luò)可能是安全通信的基石，并最終可能形成全球范圍的量子互聯(lián)網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)還可以幫助擴(kuò)大量子計算的規(guī)模，使量子增強(qiáng)的精密測量和計時儀器的實驗成為可能。

中國和其他一些國家里的最大量子網(wǎng)絡(luò)主要依賴于基于光子或光粒子的量子比特。它們通常擔(dān)當(dāng)通過光纜傳播的移動“飛行量子比特”。量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的一個常見方案是將糾纏光子用作在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點之間攜帶密鑰的信使。但是，這些光子傳播的時間越長，它們被吸收或分散的可能性就越大，無法到達(dá)目的地。

相比之下，芝加哥量子交換項目將使用光子“飛行量子比特”，在位于量子網(wǎng)絡(luò)兩端的固態(tài)量子比特節(jié)點之間啟動糾纏。一旦網(wǎng)絡(luò)任一端的固態(tài)量子比特共享糾纏量子態(tài)，它們就可以通過量子隱形傳態(tài)直接在彼此之間傳輸信息。

Awschalom解釋說，固態(tài)量子比特是基于“固體中的原子或原子樣缺陷”。這些固態(tài)量子比特可包括晶體結(jié)構(gòu)中缺少原子的金剛石和碳化硅，或含有單原子雜質(zhì)的稀土礦物。這些材料與現(xiàn)代計算技術(shù)中使用的材料相近。

Awschalom說：“與起著'飛行量子比特'作用的光子相比，固態(tài)量子比特壽命長、穩(wěn)定，并可以擴(kuò)展到大型系統(tǒng)。”

將成為美國這一新的量子網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)的地下光纜已經(jīng)存在，它們已經(jīng)在十幾年前作為伊利諾伊州高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一部分而安裝。研究人員計劃在光纖網(wǎng)絡(luò)的兩端構(gòu)建兩個節(jié)點，其中包含量子比特源、存儲器和轉(zhuǎn)換器。

這個新項目是美國加大量子科學(xué)研究力度的最重要動作之一。與此同時，亞洲和歐洲的國家也在競相開發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)。特別是中國已經(jīng)展示了光纖量子網(wǎng)絡(luò)如何與基于衛(wèi)星的量子通信合作，以便在世界范圍內(nèi)安全地傳輸信息。

開發(fā)并發(fā)射自己的量子衛(wèi)星，這也是美國未來可能邁出的一步。Awschalom說：“我們正在討論將來把量子衛(wèi)星作為附加節(jié)點并入地面節(jié)點以形成混合網(wǎng)絡(luò)的途徑。”