量子互联网：三个独立小组在城市现有光纤上展示量子纠缠

实验在三个真实城市的光纤上产生了量子纠缠，标志着网络可能具有革命性应用的进展。

　　

三个独立的研究小组已经在实际城市地区的几公里现有光纤上展示了量子纠缠——相距很远的两个或两个以上的目标连接、实现包含相同的信息。这一壮举是迈向未来量子互联网的关键一步，量子互联网可以让信息在量子状态下进行编码交换。

奥地利因斯布鲁克大学的物理学家特雷西·诺瑟普说，这些实验是迄今为止量子互联网所需技术的“最先进的演示”。来自美国、中国和荷兰的三个研究小组中的每一个都能够使用光纤友好的红外光谱部分的光子连接网络的部分，这是一个“重要的里程碑”，因斯布鲁克的物理学家Simon Baier说。

量子互联网可以让任意两个用户建立几乎牢不可破的加密密钥，以保护敏感信息。但充分利用纠缠可以做得更多，比如将独立的量子计算机连接成一个更大、更强大的机器。这项技术还可以使某些类型的科学实验成为可能，例如，通过创建具有数百公里宽的单个圆盘分辨率的望远镜网络。

其中两项研究发表在5月15日的《自然》杂志上。本月早些时候在arXiv3上发布的预印本中描述了第三种方法，但尚未经过同行评审。

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了验证。研究人员已经证明，他们可以在彼此的视线范围内使用激光产生纠缠，无论是在不同的地面位置，还是在地面和太空中。

但是，在代尔夫特理工大学领导荷兰实验的物理学家Ronald Hanson说，从实验室到城市环境是“另一回事”。为了建立一个大规模的网络，研究人员一致认为可能有必要使用现有的光纤技术。问题是，量子信息很脆弱，无法复制，它通常由单个光子携带，而不是由激光脉冲携带，激光脉冲可以被探测到，然后被放大并再次发射。这就限制了纠缠光子只能行进几十公里，否则损失就会使整个过程变得不切实际。诺瑟普说:“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。”“这就是为什么在一个真实的城市中产生纠缠是一件大事。”

这三种演示都使用了不同类型的“量子存储器”设备来存储量子位，量子位是一种物理系统，如光子或原子，可以处于两种状态中的一种——类似于普通计算机位的“1”或“0”——或者是两种可能性的组合，或“量子叠加”。

在合肥中国科学技术大学(USTC)的潘建伟领导的发表在《Nature》期刊的一项研究中，量子比特在铷原子云的集体状态下被编码。量子比特的量子态可以通过单个光子来设定，也可以通过“微扰”原子云来发射光子来读取。潘的团队在合肥地区的三个独立实验室中建立了这样的量子存储器。每个实验室都通过光纤与大约10公里外的中央“光子服务器”相连。如果来自两个原子云的光子完全同时到达服务器，这些节点中的任何两个都可以处于纠缠状态。

相比之下，Ronald Hanson和他的团队在嵌入在小钻石晶体中的单个氮原子之间建立了联系，量子比特编码在氮的电子态和附近碳原子的核态中。他们的光纤从代尔夫特大学出发，经过一条曲折的25公里路径，穿过海牙郊区，到达该市的第二个实验室。

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Mikhail Lukin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，利用了电子和硅核的量子态。在按需发射光子方面，单个原子的效率不如原子集合，但它们的用途更广，因为它们可以进行基本的量子计算。“基本上，我们将两台小型量子计算机纠缠在一起，”Lukin说。这两个基于钻石的设备是在同一个哈佛实验室，但为了模拟大都市网络的条件，研究人员使用了一根绕波士顿当地地区蜿蜒的光纤。“它穿过查尔斯河六次。”

挑战

中国和荷兰团队使用的纠缠程序要求光子以精确的时间到达中央服务器，这是实验中的主要挑战之一。Lukin的团队使用了一种不需要如此微调的协议。研究人员没有让量子比特发射光子来纠缠它们，而是让一个光子在第一个节点上与硅原子纠缠。然后，同样的光子绕过光纤环，回来擦过第二个硅原子，从而使它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，2030年左右他的团队应该能够利用10个左右的中间节点建立超过1000公里的光纤纠缠，这一过程被称为纠缠交换。起初，这样的连接速度很慢，每秒可能会产生一个纠缠。潘是“墨子号”卫星项目的首席研究员，“墨子号”卫星首次展示了太空中的量子通信。他说，还有后续任务的计划。

Hanson则表示:“这一步现在已经真正走出了实验室，进入了实战。”“这并不意味着它在商业上有用，但这是一大步。”