4月2日消息，在一項新研究中，科學家新創(chuàng)建的一個系統(tǒng)使得在更長距離上加強量子通信成為可能。這是邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的一小步，但卻是較為重要的一步。
目前我們還處于一場量子“大發(fā)展”的初期階段，研究人員正嘗試利用奇特的數(shù)學系統(tǒng)來控制亞原子粒子，從而增強通信和計算能力。對量子科學家來說，這個時代的核心目標之一便是在更大尺度上建立傳輸量子信息的網(wǎng)絡，這將推動傳感技術、密碼學甚至分布式量子計算的發(fā)展。不過，目前這些都還是理論上的設想，如果沒有中繼器等組件來擴展量子信息的傳播距離，或者沒有能將量子信息轉(zhuǎn)換成可傳輸光子的傳感器，那這樣的網(wǎng)絡就不可能真正存在。這項新研究使量子通信領域距離量子中繼器的發(fā)明更近了一步。多級泵
“傳統(tǒng)的中繼器會測量信號并進行放大，”哈佛大學物理學研究生Mihir Bhaskar說，“這就是所有信息傳播到世界各地的方式。在構建量子網(wǎng)絡時，我們也在嘗試做類似的事情，不同的是，我們是在與單光子通信。”
目前，我們的網(wǎng)絡以比特的形式傳送信息，但某些自然系統(tǒng)，如光子或繞原子運行的電子，可以通過它們的屬性存儲更豐富的信息。更重要的是，這些系統(tǒng)可能會糾纏在一起，使得在相隔較遠的點上的重復測量結果具有比常規(guī)概率允許的更大相關性。量子信息科學家認為，或許在不久的將來，他們可以利用具備這些屬性的網(wǎng)絡來發(fā)送不可破解的信息，提高傳感器的功能，或者執(zhí)行一些我們現(xiàn)在還想象不到的任務。隔膜泵
所有這一切的核心挑戰(zhàn)之一便是如何解決遠距離發(fā)送量子信息的困難。這些信息被編碼成單個光子，而在數(shù)公里長的光纜中，光子很可能會丟失。任何網(wǎng)絡，如果想要使連接節(jié)點之間的距離大于一個城鎮(zhèn)的范圍，就需要中繼器來放大信號。然而，對量子信息網(wǎng)絡來說，這是一個相當大的挑戰(zhàn)。與常規(guī)中繼器不同，我們不可能精確地復制一個量子態(tài)，因為對量子態(tài)的測量本身就會將其破壞。
哈佛大學和麻省理工學院的研究團隊開發(fā)了一個中心節(jié)點，可以有效地將信息傳播的距離縮短一半。該系統(tǒng)設置在一臺接近絕對零度的稀釋制冷機內(nèi)，包含一塊具有“空位”的鉆石。所謂的“空位”，其實是由用單個硅原子取代兩個碳原子時所產(chǎn)生一個區(qū)域，可以在稀釋制冷機內(nèi)部的較度低溫中暫時儲存量子態(tài)的光子。油桶泵
該系統(tǒng)從A點接收傳入的光子，然后將光子的狀態(tài)（在不使其破壞的情況下）保存足夠長的時間，以接收一個來自B點的光子。在這些光子經(jīng)過足夠的同步和糾纏之后，中心節(jié)點會生成一個密鑰，在兩點之間起到關聯(lián)作用。與此同時，該密鑰也只對A、B兩點具有意義。之后，雙方就可以使用這個密鑰對消息進行加密和解密。
研究人員在近期的《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了他們的研究成果。Bhaskar解釋道，這還不是一個可以將量子信息直接從A點傳到B點的中繼器，而是最終達到這一目標的關鍵缺失要素，即作為量子信息（以光的形式存儲）與中間節(jié)點之間的中間接口。研究人員正在努力證明，他們可以把信息從A點發(fā)送到節(jié)點，然后再發(fā)送到B點，或者甚至可以通過在兩個節(jié)點之間放置更多的鉆石單元來擴展范圍。自吸排污泵
在這個系統(tǒng)成為長距離量子通信的一部分之前，研究人員還必須進行很多其他的改進。該系統(tǒng)需要在兩個真正獨立的機構之間發(fā)揮作用，而不僅僅是作為實驗室里的工作站。此外，該系統(tǒng)目前的工作波長與最適合光纖電纜使用的波長不同，它需要一種將信號轉(zhuǎn)換成這些波長的方法。
一些沒有參與這項研究的研究者對這項工作的技術成就表示贊賞。加拿大卡爾加里大學量子科學與技術研究所的主任巴里·桑德斯表示，這是“一個令人興奮的原理證明”，不僅因為它展示了量子記憶的方式，而且還通過測量證實了光子之間的糾纏。但是他也指出，要將其擴大到更實際的用途，還有很長的路要走。潛水泵
美國西北大學光子通信與計算中心主任普雷姆·庫馬爾也沒有參與這項研究，他認為這是一項值得注意的工作，也是邁向最終發(fā)明量子中繼器的關鍵一步——盡管這也只是眾多必要的步驟之一。庫馬爾還強調(diào)，短時間內(nèi)開發(fā)出成熟的量子網(wǎng)絡是不可能的。
世界各地的科學家正在對各方面的問題進行研究，試圖開發(fā)出最終的量子互聯(lián)網(wǎng)。研究人員已經(jīng)在芝加哥和波士頓地區(qū)設計了光纖線路，以便在更短的距離內(nèi)進行更多類似的實驗。由中國科學技術大學的潘建偉領導的量子研究，已經(jīng)成功地在實驗室的50公里量子態(tài)線圈中使保存的量子態(tài)發(fā)生糾纏；并以“墨子”號衛(wèi)星為中介，使世界不同實驗室的光子發(fā)生糾纏。不過，這些都只是一個更大謎題的某一部分，最終必須整合在一起，并克服其他必須解決的問題。比如前面提到的轉(zhuǎn)換器，它必須能將存儲在量子處理器中的量子信息轉(zhuǎn)換成在光纖上傳播的光子。
無論如何，這項新研究都是一個令人振奮的進步，但正如庫馬爾所說，未來的量子互聯(lián)網(wǎng)還處于朦朧之中，我們剛踏出馬拉松的最初幾步。