文｜学术头条
量子互联网可以用来发送不可破解的信息，提高 GPS 系统的精度，并支持基于云的量子打算。二十多年来，由于很难在没有丢失的情形下通过远间隔发送量子旗子暗记，创建这样一个量子网络的梦想在很大程度上一贯遥不可及。
现在，哈佛大学和麻省理工学院的研究职员已经找到了一种方法，用一个可以捕获、存储和纠缠量子信息比特的原型量子节点来校正旗子暗记丢失。这项成果 3 月 23 日在线揭橥在《自然》杂志上。
这项研究补充了通向实用量子互联网的缺失落环节，也是长间隔量子网络发展的主要一步。
哈佛量子操持联合主任、George Vasmer-Leverett 物理学教授 Mikhail Lukin 表示：“该成果是一项观点性的打破，可以扩展量子网络的最长范围，并有可能以任何现有技能都无法实现的办法实现许多新运用。这是我们的量子科学和工程界超过二十年的目标的实现。”
安全传输的量子技能
从第一台电报机到本日的光纤互联网，每一种通信技能都必须办理旗子暗记在远间隔传输时的退化和丢失问题。
第一批中继器是在 19 世纪中期发展起来的，用来吸收和放大旗子暗记以填补这种丢失。200 年后，中继器已成为我们远程通信根本举动步伐不可或缺的一部分。
在经典网络中，如果纽约的 Alice 想向加利福尼亚的 Bob 发送一条，那么这个信息在一条直线上从一个海岸通报到另一个海岸。在此过程中，旗子暗记通过中继器，在中继器中被读取、放大并校正缺点。全体过程中也十分随意马虎受到攻击。
但是，如果 Alice 想发送量子，过程则有所不同。量子网络利用光的量子粒子 - 单个光子 - 来远间隔传输光的量子态。这些网络具有经典系统所没有的技巧：纠缠。
纠缠被爱因斯坦称为 “远间隔的胆怯行为”，可使信息的比特在任何间隔上都完美关联。由于不改变就无法不雅观察到量子系统，因此 Alice 可以利用纠缠向 Bob 发送，而不必担心窃听者。
这一观点是运用量子密码术的根本，量子物理学定律担保了安全性。
量子通讯存在难题
然而，远间隔的量子通信也受到常规光子损耗的影响，这是实现大规模量子互联网的紧张障碍之一。但是，量子通信超安全的物理事理也使得不可能利用现有的经典中继器来修复信息丢失。
如果看不到旗子暗记，该如何放大和校正旗子暗记呢？这个看似不可能的难题，意味着须要一个所谓的量子中继器。
实质上来讲，量子中继器是一种小型的专用量子打算机。在这样一个网络的每个阶段，量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子比特以纠正缺点，并将其存储足够长的韶光，以便网络的别的部分准备就绪。
到目前为止，由于两个方面的缘故原由导致这是不可能的：
第一，单光子很难捕获。
第二，众所周知，量子信息非常薄弱，因此永劫光处理和存储非常具有寻衅性。
硅空位色心填补毛病
哈佛大学 Lukin 实验室与麻省理工学院（MIT）电子研究实验室一贯致力于利用一种能很好地完成这两项任务的系统——金刚石中的硅空位色心（silicon-vacancy color centers）。
这些中央是钻石原子构造中的眇小毛病，可以接管和辐射光，从而产生钻石的鲜艳色彩。
Lukin 研究组的研究生 Mihir Bhaskar 表示：“在过去的几年中，我们实验室一贯在努力理解和掌握各个硅空位色心，特殊是如何将它们用作单光子的量子存储设备。”
研究职员将 一个单独的色心整合到了纳米金刚石腔中，从而限定了承载信息的光子，并迫使它们与单个色心相互浸染。然后，他们将该装置放置在温度靠近绝对零度的冰箱中，并通过光纤电缆将单个光子送入冰箱，在那里它们被色心有效捕获和捕获。
结果表明，该装置可以存储毫秒级的量子信息足够长的韶光，以将信息传输数千公里之外。
纳米级光学实验室的研究生 Bart Machielse 说：“该装置结合了量子中继器的三个最主要的元素，较长的存储韶光、有效地从光子中捕获信息的能力，以及就地进行处理的办法。这些寻衅中的每一个问题之前都得到了单独办理，但是没有一个设备将这三个问题结合在一起。”
研究职员表示，“当前，我们正通过在真实的城市光纤链路中支配量子存储器来扩展这项研究。我们操持创建纠缠大型量子存储器网络，并探索量子互联网的首次运用。”
Lukin 说：“这是首次系统级演示，结合了纳米制造、光子学和量子掌握方面的重大进展，显示了在利用量子中继器节点进行信息传输方面的明显量子上风。我们期待着开始探索利用这些技能的独特新运用。”
参考资料：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/hjap-tau032020.php
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2103-5
