地图显示了通过剑桥和马萨诸塞州波士顿的双节点量子网络的路径。图片来源:Can Knaut通过OpenStreetMap
物理学家在波士顿演示了首个城域量子计算机网络。
想象一个量子互联网能够通过叠加在不同量子态的光子在全球范围内传输防黑客信息是一回事;在现实世界中证明其可行性是另一回事。
这正是哈佛物理学家所做的。他们利用波士顿地区现有的电信光纤，展示了迄今为止世界上两个量子存储节点之间最长的光纤距离。把它想象成a点和B点之间的一个简单、封闭的互联网，它传递的信号不是由现有互联网的经典比特编码的，而是由完全安全的单个光粒子编码的。
量子网络的开创性工作
这项开创性的工作于5月15日发表在《自然》杂志上，由约书亚和贝斯弗里德曼大学物理系教授米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)领导，与哈佛大学教授Marko lon
和Hongkun Park合作，他们都是哈佛量子计划的成员，还有亚马逊网络服务的研究人员。
哈佛大学的研究小组建立了第一个量子互联网的实际条件，他们将两个量子存储节点纠缠在一起，这两个节点由一条光纤连接分开，该光纤连接在一个大约22英里的环路上，穿过剑桥、萨默维尔、沃特敦和波士顿。这两个节点位于哈佛综合科学与工程实验室的一层楼之外。
量子存储器的技术创新
量子存储器，类似于经典的计算机存储器，是互联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和信息存储和检索。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，由金刚石条制成，其原子结构有一个缺陷，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和光之间的相互作用。
硅空位中心包含两个量子比特或量子信息:一个是用于通信的电子自旋形式，另一个是更长的核自旋形式，用作存储纠缠(量子力学特性，允许信息在任何距离上完美相关)的记忆量子比特。两个自旋都可以用微波脉冲完全控制。这些钻石装置只有几毫米见方，被安置在温度可达零下459华氏度的稀释制冷装置中。
量子网络中的挑战和解决方案
利用硅空位中心作为单光子的量子存储设备是哈佛大学一个多年的研究项目。该技术解决了理论化量子互联网中的一个主要问题:传统方式无法增强的信号丢失。量子网络不能使用标准光纤信号中继器，因为任意量子信息的复制是不可能的——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，同时纠正信号丢失。在将节点冷却到接近绝对零度后，光通过第一个节点，并且由于硅空位中心的原子结构的性质，与它纠缠在一起。
量子互联网的未来展望
“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解释说，他是Lukin实验室的Kenneth C. Griffin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运行他们的实验，将他们的演示网络安装在现有光纤的顶部，以表明创建具有类似网络线路的量子互联网是可能的。
Lukin说:“展示量子网络节点可以在非常繁忙的城市地区的现实环境中纠缠，是量子计算机之间实际联网的重要一步。”
双节点量子网络仅仅是个开始。研究人员正在努力通过增加节点和试验更多的网络协议来扩展他们的网络性能。
参考文献:C. M. Knaut, a . Suleymanzade, y . C.“电信网络中纳米光子量子存储节点的纠缠”。魏德荣，李文杰，李文杰。Stas, yq . Huan, B. Machielse, E. N. Knall, M. Sutula, G. Baranes, N. Sinclair, C. De-Eknamkul, D. S. Levonian, M. K. Bhaskar, H. Park, M. lonar和M. D. Lukin, 2024年5月15日，《自然》DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07252 - z
这项工作得到了AWS量子网络中心与哈佛量子计划的研究联盟的支持美国国家科学基金会，超冷原子中心(NSF物理中心)量子网络中心(NSF工程研究中心)、空军科学研究办公室和其他来源。
