據(jù)《自然》新聞2月17日報(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。
量子網(wǎng)絡(luò)
此前,已有其他研究人員演示過三節(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,其中用到碳的非放射性同位素碳13。通過操縱電子,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,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,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。通過探測光子,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》新聞評價(jià)稱,代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過將信息存儲(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)對于未來的量子互聯(lián)網(wǎng)來說,可能就像路由器對互聯(lián)網(wǎng)一樣重要”。