據(jù)《自然》新聞2月17日?qǐng)?bào)道，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)近日在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有了新進(jìn)展。該校物理學(xué)家將三個(gè)量子設(shè)備連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，向未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)邁出重要一步。

這項(xiàng)研究已于2月8日發(fā)布在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv，題為“Realization of a multi-node quantum network of remote solid-state qubits”。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)（Keio University）量子網(wǎng)絡(luò)工程師Rodney Van Meter表示，這項(xiàng)研究是向前邁出的一大步，盡管該網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用所需的性能，但展示了使量子互聯(lián)網(wǎng)能夠連接遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

量子互聯(lián)網(wǎng)可以理解為量子通信技術(shù)支撐的一種產(chǎn)生和使用量子資源的新型功能網(wǎng)絡(luò)。“量子互聯(lián)網(wǎng)”不是對(duì)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的替代，而是在互聯(lián)網(wǎng)上疊加新功能的基礎(chǔ)設(shè)施。

量子通信的核心是儲(chǔ)存在量子比特中的信息，量子網(wǎng)絡(luò)的主要目的則是使用戶設(shè)備上的量子比特與其他設(shè)備上的量子比特發(fā)生糾纏。這種糾纏有多種潛在用途，例如加密等等。

此前，已有其他研究人員演示過(guò)三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)的原理，但《自然》新聞稱新方法更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家羅納德·漢森（Ronald Hanson）與他的合作者利用量子糾纏現(xiàn)象建立了連接三個(gè)量子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)設(shè)備持有一個(gè)量子比特的信息，可以與另外兩個(gè)發(fā)生糾纏。這樣的網(wǎng)絡(luò)可以成為未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

這些量子設(shè)備將量子信息儲(chǔ)存在人造金剛石晶體中，這些晶體的其中一個(gè)碳原子被氮原子取代。利用這些金剛石設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)可以將光子導(dǎo)入光纖，并將其傳送到另一個(gè)設(shè)備，在遠(yuǎn)程量子比特之間建立糾纏。

量子存儲(chǔ)器（quantum memory）是建立三方糾纏的關(guān)鍵。這個(gè)“量子存儲(chǔ)器”可以比其他量子比特保存數(shù)據(jù)的時(shí)間更長(zhǎng)，其中用到碳的非放射性同位素碳13。通過(guò)操縱電子，研究人員能夠推動(dòng)碳原子核進(jìn)入特定的量子態(tài)，把它變成一個(gè)額外的量子比特。這樣的量子存儲(chǔ)器可以在量子狀態(tài)保持1分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間。

上述存儲(chǔ)器使研究人員能夠分階段建立三個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。首先，他們將一個(gè)末端節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)氮原子糾纏在一起。然后，研究人員將氮原子的量子態(tài)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。這樣一來(lái)，中心節(jié)點(diǎn)作為量子比特的氮原子被釋放，使其能與第三個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子比特發(fā)生糾纏。最后，中心設(shè)備的一個(gè)量子比特與第一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生糾纏，另一個(gè)量子比特同時(shí)與第三個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生糾纏。

代爾夫特理工大學(xué)并不是第一個(gè)成功連接三個(gè)量子存儲(chǔ)器的團(tuán)隊(duì)。2019年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團(tuán)隊(duì)在《自然·光子學(xué)》雜志發(fā)表題為“Entanglement of three quantum memories via interference of three single photons”的研究。他們成功地利用多光子干涉將分離的三個(gè)冷原子量子存儲(chǔ)器糾纏起來(lái)，為構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。奧地利因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家特雷西·諾斯普（Tracy Northup）認(rèn)為，他們的實(shí)驗(yàn)還不能按需發(fā)生糾纏。通過(guò)探測(cè)光子，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的是“追溯性地提取糾纏存在的事實(shí)”。

《自然》新聞評(píng)價(jià)稱，代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將信息存儲(chǔ)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上演示了糾纏交換技術(shù)，“這種技術(shù)對(duì)于未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，可能就像路由器對(duì)互聯(lián)網(wǎng)一樣重要”。
任編輯:tzh