今天的網際網路依靠連線的矽晶片執行，但未來的量子版本可能由鑽石晶體制成。物理學家今天在《自然》雜誌上報告說，他們已經將儲存在相距 3 米的鑽石碎片中的資訊糾纏在一起，這樣測量一個量子位元（qubit）的狀態會立即確定另一個量子位元的狀態——這是在遠距離交換量子資訊的必要步驟。
糾纏是使量子裝置充滿希望的奇異現象之一，阿爾伯特·愛因斯坦稱之為“遠距離幽靈般的動作”。量子網際網路將使用在光纖電纜中傳播的糾纏光子來依次糾纏量子位元，目的是有朝一日提供超安全的通訊，或者向未來的量子計算機提供軟體和資料。
量子位元本身類似於傳統計算機中使用的位元，但可以存在於狀態的疊加中，同時為“0”和“1”（量子怪異的另一個方面）。從理論上講，連線的量子位元可以快速完成計算，而在經典計算機上，這些計算所需的時間將比宇宙的年齡還要長。遠距離糾纏它們可能會實現牢不可破的通訊：例如，如果訊息的傳送者和接收者擁有兩組量子位元，它們共同提供加密金鑰。
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遠距離糾纏量子位元的技術壯舉已經在其他系統中實現，包括捕獲的離子和原子。雖然鑽石仍在追趕，但快速的進展已迅速將其提升為量子網路候選名單中的佼佼者。“連線鑽石晶片中的許多量子位元可能比擴大其他系統更容易，”荷蘭代爾夫特理工大學的奈米科學家羅納德·漢森說，他領導的團隊在《自然》雜誌上報告了這些結果。
有缺陷的鑽石
鑽石中的量子位元取決於材料碳晶格中的缺陷。當氮原子取代碳原子，並出現在結構中的間隙或空位旁邊時，可以基於間隙中電子的自旋狀態建立一個量子位元。它們的熒光使晶體呈現淡淡的粉紅色。
為了在單獨的鑽石碎片中糾纏量子位元，該團隊使用雷射器在 10 開爾文的溫度下將每個量子位元與光子糾纏。光子在光纖電纜中途相遇，它們自身在那裡糾纏。這種過程的略有不同的形式首先應用於糾纏鐿離子在 2007 年和中性銣原子在 2012 年（另見：“原子實現量子飛躍”）。
“這是一個非常漂亮的技術演示，”伊利諾伊州芝加哥大學的量子物理學家大衛·奧什洛姆說，他曾在鑽石中研究量子位元，但沒有參與這項研究。
這項過程效率還不是很高，加拿大蒙特利爾麥吉爾大學的物理學家，也是最新研究的合著者莉蓮·蔡爾德里斯說。研究人員每 1000 萬次嘗試中只實現一次糾纏，大約每十分鐘一次。但她補充說，這與捕獲的原子和離子中的首次實驗相當。
該技術的一個重要目標是為所謂的量子中繼器提供基礎，這將使遠距離量子通訊成為可能。基於光子的糾纏在幾百公里後會衰減，因為光纖電纜會吸收光，而增強訊號會破壞糾纏。但是，糾纏量子中繼器鏈可以將量子位元連線到更遠的距離。
漢森說，儘管在連線用於量子計算的近距離量子位元方面，離子和原子系統比鑽石更先進，保持著 14 個糾纏量子位元的記錄，但鑽石在連線網路中的遠端處理器方面具有明顯的優勢。與捕獲在高真空中的離子不同，鑽石中的量子位元可以在室溫下保持，因為該材料周圍的碳晶格可以很好地遮蔽它們免受可能擾亂其疊加的雜散磁場或振動的影響。
研究人員去年表明，持續數十毫秒的鑽石空位量子位元甚至可以轉移到相鄰碳或氮原子的原子核，從而建立可以存在數秒的“記憶”量子位元陣列，這在量子計算領域是永恆的。漢森說，此外，構建固態鑽石晶片的元件聽起來比建立數百個離子阱更容易。
在這個早期階段，量子處理器還需要數十年才能問世，沒有人準備好押注哪種系統會勝出。“你現在不能選出贏家，”英國牛津大學的物理學家約書亞·納恩說。