物理學家們在邁向未來量子網際網路的道路上邁出了重要一步，他們在一個網路中連線了三個量子裝置。量子網際網路將實現超安全的通訊，並解鎖科學應用，例如用於引力波的新型感測器和具有前所未有解析度的望遠鏡。研究結果於 2 月 8 日在 arXiv 預印本儲存庫中報告。
東京慶應大學的量子網路工程師 Rodney Van Meter 說：“這是一個巨大的進步。” Van Meter 補充說，儘管該網路尚未達到實際應用所需的效能，但它展示了一項關鍵技術，該技術將使量子網際網路能夠連線遠距離的節點。
量子通訊利用了量子領域獨有的現象——例如基本粒子或原子以多種同時狀態“疊加”的能力，或與其他粒子共享“糾纏”狀態的能力。研究人員之前已經演示了三節點量子網路的原理，但最新的方法可能更容易實現實際應用。
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糾纏網路
量子通訊的核心是儲存在量子位元中的資訊——量子位元是普通計算機中位元的量子等價物——量子位元可以被程式設計為處於“0”和“1”的疊加態。量子網路的主要目的是使使用者裝置上的量子位元能夠與其他人裝置上的量子位元糾纏。這種糾纏具有許多潛在用途，首先是加密：由於對糾纏物體進行測量總是相關的，透過重複讀取其量子位元的狀態，使用者可以生成只有他們知道的秘密程式碼。
在最新的演示中，荷蘭代爾夫特理工大學的物理學家 Ronald Hanson 和他的合作者以這樣一種方式連線了三個裝置，即網路中的任何兩個裝置最終都具有相互糾纏的量子位元。他們還將所有三個裝置上的量子位元置於三向糾纏狀態，除其他應用外，這可以使三個使用者共享秘密資訊。
代爾夫特裝置的每一個都在合成金剛石晶體中儲存量子資訊——更準確地說，是在晶體缺陷的量子態中，其中氮原子取代了其中一個碳原子。
在這樣的金剛石裝置中，研究人員可以促使氮量子位元發射光子，光子將自動與原子的狀態糾纏。然後，他們可以將光子漏斗到光纖中並將其傳遞到另一個裝置，從而幫助在遠端量子位元之間建立糾纏。在 2015 年的一項傑出實驗中，代爾夫特團隊成功地糾纏了兩個基於金剛石的裝置，並使用它們來證實量子力學的一些關鍵預測。
量子儲存器
該團隊最新實驗中的三個裝置之一——網路中間的那個——也被設定為在“量子儲存器”中儲存資訊，量子儲存器可以比其他量子位元儲存資料更長時間，並且是建立三向糾纏的關鍵。儲存器量子位元使用碳 13，這是一種非放射性同位素，約佔天然碳的 1%。碳 13 的原子核中有一個額外的中子，因此它的作用類似於條形磁鐵。研究人員使用氮缺陷中的活性電子作為感測器，以定位附近的碳 13 原子核。透過操縱電子，他們能夠將碳原子核推入特定的量子態，將其變成額外的量子位元。這種碳量子儲存器可以保持它們的 量子態 1 分鐘或更長時間——這在亞原子世界中是永恆的。
碳儲存器使研究人員能夠分階段建立他們的三裝置網路。首先，他們將一個終端節點與中心節點中的氮糾纏在一起。然後，他們將氮的量子態儲存在碳儲存器中。這使得中心氮量子位元可以與第三個節點上的量子位元糾纏。結果，中心裝置有一個量子位元與第一個節點糾纏，另一個量子位元同時與第三個節點糾纏（參見“量子網路”）。
來源：Nature
這項技術需要多年的改進。碳量子位元需要充分與環境隔離，以便其量子態在物理學家進行進一步操作時能夠存活下來——但仍應可訪問，以便可以對其進行程式設計。“您想要儲存量子態，因此應該對其進行遮蔽。但不應遮蔽太多，”Hanson 在 2018 年參觀他的實驗室時告訴一位記者。
奧地利因斯布魯克大學的物理學家 Tracy Northup 說，這一挑戰和其他挑戰使該實驗比雙節點網路更困難。“一旦你認真嘗試連線三個節點，它就會變得更加複雜。”
在一個節點中儲存資訊使該團隊能夠演示一種稱為糾纏交換的技術，事實證明，糾纏交換對於未來的量子網際網路至關重要，就像路由器對於當前的網際網路一樣。
材料問題
代爾夫特團隊並不是第一個成功連線三個量子儲存器的團隊：2019 年，中國合肥中國科學技術大學的物理學家潘建偉領導的團隊使用不同型別的量子位元（基於原子雲而不是固體物體中的單個原子）做到了這一點。但 Northup 說，該實驗尚無法按需產生糾纏。透過檢測光子，合肥團隊只能“追溯性地提取糾纏存在的事實”，而不是糾纏仍然可用於進一步使用。
Van Meter 說，原子雲量子位元的功能更有限，因此合肥團隊可能很難進行糾纏交換——儘管也許並非不可能。“對於潘小組，我永遠不會說絕不。”
馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的物理學家 Mikhail Lukin 稱代爾夫特實驗“英勇”，但補充說，它的效能很慢，表明氮缺陷也存在侷限性。Lukin 的團隊正在使用矽缺陷在金剛石中進行類似的實驗，他說矽缺陷與光子相互作用的效率更高。其他團隊已經使用捕獲在電磁場中的離子或稀土元素晶體中的缺陷構建了網路，這些缺陷可以與紅外光子相互作用，紅外光子可以沿著數千米的光纖傳播而不會造成重大損失。（光纖不擅長攜帶金剛石中氮缺陷發射的可見光光子。）
Hanson 和他的合著者在他們的論文中建議，他們的技術將“為未來達到相同成熟度的類似平臺提供指導”。
本文經許可轉載，並於 2021 年 2 月 17 日首次發表。