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全尺寸量子計算機，以及研究人員期望它們實現的全部數值計算、密碼破解和令人驚歎的處理能力，仍然只是物理學家和計算機科學家眼中的一絲希望。 這是一絲受到有希望的實驗和理論工作支援的希望，但仍然只是一絲希望——迄今為止，僅構建了初步的量子處理器。
這樣的計算機將利用量子位元或量子位的物理特性來擴充套件計算的範圍。 普通位元可以是 0 或 1，而量子位可以同時處於 0 和 1 的疊加態——並且量子位可以是相互糾纏的，這意味著它們的屬性是相互關聯的。
在構建成熟的量子計算機的道路上，存在一個關鍵的實驗里程碑，這將本身就是一個重大成就：構建一種更簡單的裝置，稱為量子中繼器，本質上是量子位的轉發站，它可以實現量子通訊系統，類似於已經廣泛使用的光纖通訊。 這些系統將利用與量子計算機相同的特性來遠距離傳輸資訊，資訊被編碼在光子量子位上。 過去一年左右取得了一系列進展，最新的進展在1月12日線上發表於《自然》雜誌上的一對互補論文中有所報道，研究人員現在表示，量子中繼器可能在未來五到十年內實現。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
兩組物理學家利用摻雜稀土元素的晶體制成了量子儲存器，這些儲存器能夠儲存糾纏的光子，然後在短時間後釋放出來。 例如，這種儲存器對於遠距離量子密碼術非常有用，在遠距離量子密碼術中，來自糾纏對的單個光子被髮送給希望共享唯一且安全連結的兩方。 光子將充當一種共享的加密金鑰，但問題是單個光子在光纖中的最大範圍約為 100 公里。
“擴充套件範圍的解決方案是中繼器，” 哈佛大學物理學家 Mikhail Lukin 解釋說，他沒有參與新的研究，“中繼器本質上是您沿著此通道插入的小型量子計算機，它們有助於清理和淨化沿途的糾纏態。” 為了做到這一點，研究人員需要一種材料儲存器，該儲存器能夠接收光子量子位，將其保持住以進行快速恢復，然後在量子特性完好無損的情況下重新發射它。 假設每 10 公里設定一箇中繼器，則每個光子都可以在其退化之前在其旅程中反覆重新整理。
儘管這兩項研究在細節上有所不同，但兩者都因將兩個光子之間的糾纏態轉移到其中一個光子和固體中的一組原子之間的糾纏態而引人注目。 這種量子交叉授粉以前已經實現過，但它通常涉及高度複雜的技術設定，例如用雷射冷卻到開爾文的幾分之一的單個捕獲原子（0 開爾文是絕對零度）。 另一方面，晶體儲存器只需要透過更傳統的方式冷卻到幾開爾文即可。
“雷射冷卻原子，我認為這是一項偉大的科學，但我感覺它有點太複雜，難以應用於實際應用，”阿爾伯塔省卡爾加里大學的 Wolfgang Tittel 說，他是其中一項研究的合著者，他表示晶體儲存器所需的閉迴圈冷卻器更接近於現成的技術。 “一旦你購買了它，你就擁有了它，而且我們的已經運行了一整年，”他說。 瑞士日內瓦大學的 Mikael Afzelius，是另一項研究的合著者，也發出了類似的論調。 “我們的固態方法可能被證明更具可擴充套件性，”他說，“這對於未來的量子網路非常重要。”
Tittel 的研究小組使用了一種摻雜了稀土金屬銩的晶體，該晶體可以在七納秒內保持光子，然後再釋放它，量子態保持不變。 光子一旦被晶體儲存器吸收，就會在儲存器內的一組原子中產生激發，然後在短時間後以一種光學回波的形式再現光子。 該小組證明，回波光子保留了其與原始光子伴侶的糾纏。
另一個研究小組使用摻雜了另一種稀土金屬釹的晶體也實現了類似的壯舉。 Afzelius 和他的同事實現了長達 200 納秒的更長儲存時間，但他們的實驗不允許他們驗證一旦其中一個光子被儲存在儲存器中並從中檢索出來後，兩個光子之間的糾纏。
“我認為這是一項重大進展，”Lukin 說，他特別讚揚了晶體的寬頻特性，這將使它們能夠接收非常快速的光脈衝。 他指出，在可以實現用於中繼器的實用量子儲存器之前，必須對晶體儲存器技術進行多項改進：更長的儲存時間、更高的效率以及按需而不是在預定時間之後召回光子的能力。
當被單獨詢問時，Lukin、Tittel 和 Afzelius 都給出了大致相同的答案，即原型量子中繼器可能還需要多久才能問世：五年，也許十年。 “如果你在三四年前問我，我會說要很長時間，”Tittel 說。 但是，僅在 2010 年就發表了一些重要的量子資訊科學論文，情況正在好轉。 “一切都差不多到位了，但一切都必須改進，”他說。 “從根本上講，我可以看到前進的方向。”
Afzelius 補充說：“我認為我們預計在未來五到十年內，我們將看到實驗室實驗取得足夠的進展，從而嘗試在兩個城市之間建立第一個實用的量子中繼器鏈路。 從那時起，將我們的實驗系統做得更緊湊和更經濟實惠將是一項工程挑戰，但我相信這在當前技術範圍內是可以實現的。”