城域量子计算机网络实现突破

这是通过美国马萨诸塞州剑桥和波士顿的双节点量子网络路径的地图。图片来源：哈佛大学

科技日报北京5月15日电 （记者张梦然）美国哈佛大学物理学家演示了突破性城域量子计算机网络。他们使用波士顿地区现有的电信光纤，展示了在两个量子存储节点之间，迄今最长的光纤距离。可以把它想象成A点和B点之间的一个简单、封闭的互联网，它携带的信号不像现有的互联网那样由经典比特编码，而是由完全安全的单个光粒子编码的。该成果发表在最新一期《自然》杂志上。

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35公里的环路上。

每个节点都是一个非常小的量子计算机，由金刚石制成。其原子结构中有一个缺陷，称为硅空位中心。在金刚石内部，比人类头发丝宽度的百分之一还小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比特：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来存储纠缠。两种自旋都可通过微波脉冲完全控制。这些金刚石设备只有几毫米见方，安装在制冷装置内，温度达-272.78℃。

使用硅空位中心作为单光子量子存储器件的技术，解决了量子互联网中的一个主要问题：信号丢失。基于硅空位中心的网络节点可捕获、存储和纠缠量子信息位，同时可纠正信号丢失。将节点冷却到接近绝对零度后，光通过第一个节点发送，并且由于原子结构的性质，与该节点纠缠在一起。由于光已经与第一个节点纠缠在一起，它可将这种纠缠转移到第二个节点，这被称为光子介导的纠缠传递。

研究人员已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。

过去已创建过其他量子网络，但此次量子网络是可存储、处理和移动信息的设备之间最长的光纤网络。本研究中的量子网络节点，可应用在非常繁忙的城市或其他现实世界环境中，是迈向量子计算机之间网络的重要一步。但二节点量子网络只是一个开始，科学家还要努力通过添加节点和试验更多网络协议来扩展其网络性能。