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自然新闻文章 新闻ˌ消息 2024年5月15日 量子互联网在城市的演示是迄今为止最先进的 实验在三个真实城市的光纤上产生量子纠缠，标志着可能具有革命性应用的网络的进展。 大卫·卡斯特尔韦奇 代尔夫特理工大学的量子网络节点。鸣谢:Marieke de Lorijn for QuTech 三个独立的研究小组已经展示了量子纠缠——其中两个或更多的物体被连接起来，这样即使它们相距很远，它们也能包含相同的信息——在真实的城市地区的几公里长的现有光纤上。这一壮举是迈向未来量子互联网的关键一步，量子互联网是一种可以在量子态编码的同时允许信息交换的网络。 奥地利因斯布鲁克大学的物理学家Tracy Northup说，这些实验是量子互联网所需技术的“迄今为止最先进的演示”。因斯布鲁克的物理学家西蒙·拜尔说，三个研究小组——分别位于美国、中国和荷兰——都能够利用光谱中对光纤友好的红外部分的光子连接网络的各个部分，这是一个“重要的里程碑”。 量子互联网可以让任何两个用户建立几乎牢不可破的密钥来保护敏感信息。但是充分利用纠缠可以做更多的事情，例如将独立的量子计算机连接成一个更大、更强大的机器。这项技术还可以实现某些类型的科学实验，例如通过创建望远镜网络，其分辨率可以达到数百公里宽的单个碟形天线。 其中两项研究1，2发表在5月15日的《自然》杂志上。第三种在本月早些时候发表在arXiv3上的预印本中有所描述，但还没有经过同行评议。 不切实际的环境 在过去十年左右的时间里，构建量子互联网的许多技术步骤已经在实验室中得到验证。研究人员已经证明，他们可以在彼此的直接视线内使用激光产生纠缠，无论是在单独的地面位置还是在地面和空间。 但是从实验室到城市环境是“另一回事”，在代尔夫特理工大学领导荷兰实验的物理学家罗纳德·汉森说。为了建立一个大规模的网络，研究人员认为可能有必要使用现有的光纤技术。麻烦的是，量子信息很脆弱，无法复制；它通常由单个光子携带，而不是由可以被检测到然后放大并再次发射的激光脉冲携带。这就限制了纠缠光子在损耗使整个事情变得不切实际之前只能行进几十公里。“它们还会受到全天温度变化的影响——如果它们在地面上，甚至会受到风的影响，”诺萨普说。"这就是为什么在一个真实的城市中产生纠缠是一件大事."三次演示都使用了不同类型的“量子存储”设备来存储量子位。量子位是一种物理系统，如光子或原子，可以处于两种状态之一——类似于普通计算机位的“1”或“0”——或两种可能性的组合或“量子叠加”。 在《自然》杂志的一项研究中，由合肥中国科学技术大学（USTC）的潘建伟领导，量子比特被编码在铷原子云的集体状态中。量子比特的量子状态可以使用单个光子来设置，或者可以通过“挠痒痒”原子云发射光子来读取。潘的团队在合肥地区的三个独立实验室里建立了这样的量子存储器。每个实验室都通过光纤连接到大约10公里外的中央“光子服务器”。如果来自两个原子云中的光子完全同时到达服务器，其中任何两个节点都可能处于纠缠状态。 相比之下，汉森和他的团队在嵌入小钻石晶体的单个氮原子与氮的电子状态和附近碳原子的核状态中编码的量子位之间建立了联系3。他们的光纤从代尔夫特的大学出发，穿过海牙郊区一条25公里的曲折道路，到达位于海牙的第二个实验室。 在美国的实验中，马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金和他的合作者也使用了基于钻石的设备，但使用的是硅原子而不是氮原子，利用了一个电子和一个硅原子核的量子态。在按需发射光子方面，单个原子的效率不如原子群，但它们更通用，因为它们可以进行基本的量子计算。“基本上，我们纠缠了两台小型量子计算机，”卢金说。这两个基于钻石的设备位于哈佛大学的同一个实验室中，但为了模拟大都市网络的条件，研究人员使用了一根蜿蜒在波士顿地区的光纤。“它穿越查尔斯河六次，”卢金说。 未来的挑战 中国和荷兰团队使用的纠缠程序要求光子以精确的计时精度到达中央服务器，这是实验中的主要挑战之一。相反，卢金的团队使用了一种不需要这种微调的协议。研究人员没有通过让量子比特发射光子来纠缠它们，而是发送一个光子在第一个节点与硅原子纠缠。同一个光子绕过光纤环，回来掠过第二个硅原子，从而与第一个硅原子纠缠在一起。 潘计算出，按照目前的进展速度，到2020年，他的团队应该能够使用大约10个中间节点在1000公里的光纤上建立纠缠，这一过程被称为纠缠交换。（他补充说，起初，这样的链接会非常慢，每秒钟可能会产生一个纠缠。）潘是利用卫星Micius进行的一个项目的首席研究员，该项目展示了首次太空量子通信，他表示有后续任务的计划。 汉森说:“这一步现在已经真正走出实验室，进入实地。“这还不意味着它在商业上有用，但这是一大步。” https:///10.1038/d41586-024-01445-2 参考 Knaut，C. M .等人，《https:///10.1038/s41586-024-07252-z自然》（2024年）。 文章 谷歌学术 刘，刘继林等。自然。（2024）。 文章 谷歌学术 Stolk，A. J .等人在https:///10.48550/arXiv.2404.03723 arXiv会议上的预印本（2024年）。 |
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