物理学家在波士顿展示第一个城域量子计算机网络

梦想一个量子互联网是一回事，它可以通过叠加在不同量子态的光子向世界各地发送防黑客的信息。从物理上证明它的可能性是另一回事。

这正是哈佛大学物理学家所做的，他们利用波士顿地区现有的电信光纤，演示了迄今为止两个量子存储节点之间世界上最长的光纤距离。将其视为 A 点和 B 点之间的一个简单、封闭的互联网，其传输的信号不是由现有互联网等经典比特编码，而是由完全安全的单个光粒子编码。

这项名为“电信网络中纳米光子量子存储节点的纠缠”的开创性工作由约书亚和贝斯·弗里德曼大学物理系教授 Mikhail Lukin 与哈佛大学教授 Marko Lončar 和 Hongkun 合作领导，并发表在《自然》杂志上。 Park 和亚马逊网络服务的研究人员都是哈佛量子计划的成员。

哈佛大学团队通过将两个量子存储节点纠缠在一起，建立了第一个量子互联网的实用结构，这两个量子存储节点由光纤链路分开，部署在穿过剑桥、萨默维尔、沃特敦和波士顿的大约 22 英里的环路上。这两个节点位于哈佛大学综合科学与工程实验室，相距一层。

量子存储器类似于经典计算机存储器，是互连量子计算未来的重要组成部分，因为它允许复杂的网络操作以及信息存储和检索。虽然过去已经创建了其他量子网络，但哈佛团队的量子网络是可以存储、处理和移动信息的设备之间最长的光纤网络。

每个节点都是一个非常小的量子计算机，由一条金刚石制成，其原子结构中有一个缺陷，称为硅空位中心。在钻石内部，小于人类头发宽度百分之一的雕刻结构增强了硅空位中心与光之间的相互作用。

硅空位中心包含两个量子位，或量子信息位：一个以电子自旋的形式用于通信，另一个以寿命较长的核自旋形式，用作存储量子位来存储纠缠(量子力学允许信息在任何距离上完美关联的属性)。

两种自旋都可以通过微波脉冲完全控制。这些金刚石装置只有几毫米见方，安装在温度可达 -459°F 的稀释制冷装置内。

使用硅空位中心作为单光子的量子存储器件是哈佛大学的一项多年研究计划。该技术解决了理论化量子互联网中的一个主要问题：无法以传统方式增强的信号丢失。

量子网络无法使用标准光纤信号中继器，因为不可能复制任意量子信息，这使得信息安全，但也很难长距离传输。

基于硅空位中心的网络节点可以捕获、存储和纠缠量子信息位，同时纠正信号丢失。将节点冷却到接近绝对零后，光通过第一个节点发送，并且由于硅空位中心原子结构的性质，与其纠缠在一起。

“由于光已经与第一个节点纠缠在一起，它可以将这种纠缠转移到第二个节点，”第一作者 Can Knaut 解释道，他是卢金实验室肯尼思·C·格里芬艺术与科学研究生院的学生。 “我们称之为光子介导的纠缠。”

在过去的几年里，研究人员从波士顿的一家公司租用了光纤来进行实验，将他们的演示网络安装在现有光纤上，这表明创建具有类似网络线路的量子互联网是可能的。

卢金说：“表明量子网络节点可以缠绕在非常繁忙的城市地区的现实世界环境中，是迈向量子计算机之间实际网络的重要一步。”

二节点量子网络只是一个开始。研究人员正在努力通过添加节点和试验更多网络协议来扩展其网络的性能。