三個獨立的研究小組已經展示了量子糾纏——其中兩個或多個物體相互關聯，即使它們相距遙遠，也包含相同的資訊——在真實城市區域的數公里現有光纖上實現。這項壯舉是邁向未來量子網際網路的關鍵一步，量子網際網路是一種可以在量子態編碼資訊的同時交換資訊的網路。
奧地利因斯布魯克大學的物理學家特蕾西·諾斯魯普說，總的來說，這些實驗是迄今為止量子網際網路所需技術的“最先進演示”。因斯布魯克大學的另一位物理學家西蒙·拜爾說，美國、中國和荷蘭的三個研究團隊都能夠使用光譜中適合光纖的紅外部分的光子連線網路的部分，這是一個“重要的里程碑”。
量子網際網路可以使任何兩個使用者建立幾乎牢不可破的密碼金鑰來保護敏感資訊。但是，充分利用量子糾纏可以做更多的事情，例如將獨立的量子計算機連線成一臺更大、更強大的機器。這項技術還可以實現某些型別的科學實驗，例如透過建立光學望遠鏡網路，使其具有數百公里寬的單面鏡的解析度。
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其中兩項研究於 5 月 15 日發表在《自然》雜誌上。第三項研究在上個月釋出在 arXiv 上的預印本中進行了描述，該預印本尚未經過同行評審。
不切實際的環境
在過去十年左右的時間裡，實驗室已經演示了構建量子網際網路的許多技術步驟。研究人員已經表明，他們可以使用雷射在彼此的直接視線範圍內產生糾纏光子，無論是在不同的地面位置還是在地面和太空中。
荷蘭代爾夫特理工大學的荷蘭實驗負責人、物理學家羅納德·漢森說，但從實驗室走向城市環境是“完全不同的事情”。研究人員一致認為，為了構建大型網路，可能需要使用現有的光纖技術。問題是，量子資訊非常脆弱且無法複製；它通常由單個光子攜帶，而不是由可以被檢測到，然後再放大並再次發射的雷射脈衝攜帶。這限制了糾纏光子在損耗使整個事情變得不切實際之前只能傳播幾十公里。“它們還受到全天溫度變化的影響——如果它們在地面以上，甚至會受到風的影響，”諾斯魯普說。“這就是為什麼在實際城市中產生糾纏是一件大事。”
這三項演示都使用了不同型別的“量子儲存”裝置來儲存量子位元，量子位元是一種物理系統，例如光子或原子，它可以處於兩種狀態之一——類似於普通計算機位元的“1”或“0”——或者處於兩種可能性的組合或“量子疊加”狀態。
在《自然》雜誌的一項研究中，由中國科學技術大學（USTC）的潘建偉在合肥領導，量子位元被編碼在銣原子雲的集體狀態中。量子位元的量子態可以使用單個光子設定，也可以透過“撓癢癢”原子雲以發射光子來讀取。潘的團隊在合肥地區的三個獨立實驗室中設定了這樣的量子儲存器。每個實驗室都透過光纖連線到大約 10 公里外的中央“光子伺服器”。如果來自兩個原子雲的光子在完全相同的時間到達伺服器，則這些節點中的任何兩個都可以處於糾纏狀態。
相比之下，漢森和他的團隊在嵌入小鑽石晶體中的單個氮原子與量子位元之間建立了聯絡，量子位元被編碼在氮的電子態和附近碳原子的核態中。他們的光纖從代爾夫特大學出發，經過一條曲折的 25 公里路徑，穿過海牙郊區，到達城市中的第二個實驗室。
在美國實驗中，馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的物理學家米哈伊爾·盧金和他的合作者也使用了基於金剛石的裝置，但用矽原子代替氮原子，利用了電子和矽核的量子態。單個原子在按需發射光子方面不如原子集合有效，但它們用途更廣泛，因為它們可以執行基本的量子計算。“基本上，我們糾纏了兩臺小型量子計算機，”盧金說。這兩個基於金剛石的裝置位於哈佛大學的同一棟樓內，但為了模擬城市網路的條件，研究人員使用了一根在當地波士頓地區蜿蜒的光纖。“它穿過查爾斯河六次，”盧金說。
前方的挑戰
中國和荷蘭團隊使用的糾纏程式要求光子以精確的定時精度到達中央伺服器，這是實驗的主要挑戰之一。盧金的團隊使用了一種不需要如此精細調整的協議：研究人員沒有透過讓量子位元發射光子來糾纏它們，而是傳送一個光子使其自身與第一個節點處的矽原子糾纏。然後，同一個光子繞著光纖環路執行，然後返回掠過第二個矽原子，從而使其與第一個矽原子糾纏。
潘計算出，按照目前的發展速度，到本十年末，他的團隊應該能夠使用十個左右的中間節點，透過一種稱為糾纏交換的程式，在 1,000 公里的光纖上建立糾纏。（他補充說，起初，這種連結會非常慢，可能每秒產生一個糾纏。）潘是使用衛星墨子號專案的首席研究員，該衛星展示了首次在太空進行量子通訊，他說有後續任務的計劃。
漢森說：“這一步現在真的已經從實驗室邁向了實際應用領域。” “這並不意味著它在商業上已經有用，但這是一個很大的進步。”
本文經許可轉載，並於 2024 年 5 月 15 日首次發表。