量子技術是未來的發展方向，但這個未來會到來嗎？
也許會。物理學家們透過構建一個基本的網路，用於交換和儲存量子資訊，從而為可行的量子未來掃清了更多障礙。該網路具有兩個通用的節點，可以傳送、接收和儲存量子資訊，並透過光纖電纜連線，光纖電纜以單個光子的形式將資訊從一個節點傳輸到另一個節點。
該網路只是一個原型，但如果能夠改進和擴大規模，它可能會成為中繼量子資訊的通訊通道的基礎。德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所 (M.P.Q.) 的一個小組在4月12日出版的《自然》雜誌上描述了這一進展。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
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量子位元是量子資訊科技的核心。日常電子裝置中的普通經典位元可以儲存兩個值之一：0 或 1。但由於量子力學固有的不確定性，量子位元可以處於所謂的疊加態，在 0 和 1 之間猶豫不決，這為其攜帶的資訊增加了一層複雜性。量子計算機將擁有超越最強大的經典超級計算機的能力，並且基於量子位元交換的密碼協議將比傳統的加密方法更安全。
物理學家們已經使用各種量子物體來儲存量子位元——電子、原子核、光子等等。在新的演示中，網路每個節點上的量子位元都儲存在被困在反射光學腔中的單個銣原子的內部量子態中。然後，原子可以透過發射單個光子，經由光纖傳輸其儲存的資訊，該光子的偏振態帶有其母原子量子態的標記；相反，原子可以從光纖中吸收光子，並獲得印在該光子偏振態上的量子態。
由於每個節點都可以執行各種功能——傳送、接收或儲存量子資訊——基於光學腔中原子的網路可以透過簡單地連線更多通用節點來擴充套件。“我們試圖構建一個網路節點通用的系統，”M.P.Q. 物理學家斯蒂芬·裡特（Stephan Ritter）說，他是該研究的作者之一。“它不僅能夠傳送或接收——理想情況下，它可以完成您可以想象的所有事情。” 這種系統的各個部分已經被證明——原子在單個發射光子上傳送量子資訊，例如——但現在技術已經足夠先進，它們可以作為一個整體工作。“這一切現在已經結合在一起，使我們能夠實現這個量子網路的初級版本，”裡特說。
物理學家在 15 年前提出了使用光學腔進行量子網路的想法，因為它們結合了原子量子位元和光子量子位元的最佳特性——即原子保持靜止，使其成為理想的儲存介質，而光子速度快，使其成為靜止節點之間理想的訊息載體。但讓光子和原子相互通訊一直是一個挑戰。“如果你想使用單個原子和單個光子，就像我們所做的那樣，它們幾乎不相互作用，”裡特補充道。
這就是光學腔的用武之地。腔體的鏡子將光子反射經過銣原子數萬次，增加了相互作用的機會。“在這段時間裡，有足夠的時間以可靠的方式真正完成這種資訊交換，”裡特說。“腔體增強了光場和原子之間的耦合。”
M.P.Q. 小組對他們的原型網路進行了一系列測試——將量子位元從單個光子轉移到單個原子，並反轉該過程以將資訊從原子轉移到光子上。結合這些讀/寫操作，物理學家們成功地將一個量子位元從一個銣原子傳輸到另一個位於 21 米外獨立實驗室中的銣原子，使用信使光子作為節點之間的載體。（連線兩個節點的光纖的實際長度為 60 米，因為它沿著一條間接路線蜿蜒延伸。）
大量光子在傳輸過程中丟失，限制了該過程的效率。但原則上，光纖可以連線更遠距離的節點。“我們絕對不受這 21 米的限制，”裡特說。“這 21 米只是我們兩個實驗室之間恰好有的距離。”
研究人員還證明，他們的光子鏈路可以用來糾纏兩個遙遠的原子。量子糾纏是一種現象，即兩個粒子共享相關的屬性——換句話說，一個粒子的量子態取決於其糾纏夥伴的狀態。因此，即使一個粒子位於另一個實驗室中，操縱其中一個粒子也會影響另一個粒子的狀態。研究人員希望可以利用糾纏來規避光子透過光纖傳輸時造成的損失。在一種名為量子中繼器的提議應用中，一系列透過糾纏連線的節點將沿著線路擴充套件量子連線，而無需依賴任何一個光子作為載體。
裡特承認，這項新工作只是一個原型，並且可以進行許多改進。例如，實驗室之間量子態的轉移僅在 0.2% 的時間內成功，這歸因於各種效率低下和技術限制。“一切都處於可以完成的邊緣，”他說。“所有這些特性都足以完成我們所做的事情，但有明確的策略可以追求，使其變得更好。”