量子互聯網能邁出這一步，靠的居然是有缺陷的鑽石？

近日，美國哈佛大學的物理學家揭示了一種基於「有缺陷」鑽石設計的新型量子存儲器，能夠大幅擴展量子加密系統的範圍，使得在更長距離上實現量子通訊成爲可能。

這正是解決量子互聯網沒法實現最重要的一步。

量子互聯網現狀

量子互聯網（英語：quantum network），是指在多個通訊節點間，利用量子密鑰分發進行安全通訊的網絡。

各節點間產生的量子密鑰能夠對傳統的語音、圖像以及數字多媒體等通訊數據進行加密和解密。因爲量子通訊線路沒法經過掛接旁路竊聽或攔截竊聽，只要被竊聽就會讓量子態發生變化從而改變通訊內容被偵知，從而比當前的互聯網通訊模式更爲安全可靠。

但目前咱們還處於一場量子「大發展」的初期階段，研究人員正嘗試利用奇特的數學系統來控制亞原子粒子，進一步加強計算和通訊能力。

對量子科學家來講，這個時代的核心目標之一即是在更大尺度上創建傳輸量子信息的網絡，這將推進密碼學、傳感技術甚至分佈式量子計算的發展。不過，目前這些都仍是理論上的設想，若是不能擴展量子信息的傳播距離，那這樣的網絡就不可能真正存在。

「傳統的中繼器會測量信號並進行放大，」哈佛大學物理學研究生 Mihir Bhaskar 說，「這就是全部信息傳播到世界各地的方式。在構建量子網絡時，咱們也在嘗試作相似的事情。」

今天介紹的這項新研究使量子通訊領域距離量子中繼器的發明更近了一步。

量子互聯網最大的挑戰：迷路的光子

今天，咱們的網絡發送信息編碼爲比特。可是某些天然系統，例如光子（光的粒子）或繞原子運行的電子，能夠在其屬性中存儲更豐富的信息。

更重要的是，這些系統可能會糾纏在一塊兒，以致於在遠處分開的點處重複進行的測量比規則機率所容許的相關性更高。量子信息科學家認爲，他們有一天可使用具備這些屬性的網絡來發送不可入侵的消息，提升傳感器的功能或執行還沒有夢想的任務。

而全部這一切的核心挑戰之一是長距離發送量子信息有多麼困難。這些信息在傳輸過程當中會被編碼成單個光子，而在數千米長的光纜中，光子極可能會丟失。任何但願將節點鏈接到距離城鎮較遠的網絡都將須要中繼器來放大來自A點的信號並將其發送到B點。

可是，與常規中繼器不一樣，這是一個附加的挑戰，不可能從新建立精確的信號。量子態的副本，由於測量量子態會破壞它。

團隊成員 Bart Machielse 解釋說：「從本質上講，咱們如今沒有量子互聯網的緣由就是光子的迷失：光子從纖維中散發出來而後被吸取，隨着連接長度的增長，通訊的傳播效率變得愈來愈重要。」 將多個光子合併到每一個脈衝中將消除絕對的安全性，由於這樣能夠測量一個光子而不會干擾其餘光子。

任何網絡，若是想要使鏈接節點之間的距離大於一個城鎮的範圍，就須要中繼器來放大信號。然而，對量子信息網絡來講，這是一個至關大的挑戰。

與常規中繼器不一樣，咱們不可能精確地複製一個量子態，由於對量子態的測量自己就會將其破壞。

用「有殘缺」的鑽石強化量子記憶

爲了解決這一難題，物理學家建立了一個基於鑽石的量子存儲器，該存儲器能夠容納 10 個量子比特，而且能夠存儲 75 秒鐘的信息。

該系統在稀釋冰箱內幾乎保持在絕對開爾文零的狀態，由具備「空隙」的鑽石組成，該鑽石經過用單個硅原子替換兩個碳原子而產生「空隙」，從而造成一個區域，該區域能夠暫時存儲由碳原子饋入的量子態。

經過這個新型的量子存儲器，能夠額外產生另外九個量子位，並容許多達七個量子位被「糾纏」。糾纏是大多數量子位應用（包括量子計算）中相當重要的一步。之前，在相似的設備中最多隻能糾纏三個量子比特。

在同步並糾纏了足夠多的這些光子後，中央節點會生成一個在二者之間關聯的安全密鑰派對，這僅對兩個信息有意義。而後，他們就可使用此密鑰來加密和解密它們之間的消息。

Bhaskar 解釋說，這不是直接將量子信息從點 A 傳遞到點 B 的中繼器。但這是最終到達這一點的關鍵要素，它是做爲光存儲的量子信息和中間節點之間的中間接口。

他們正在努力證實能夠將消息從 A 點發送到節點，而後再發送到 B 點，或者甚至經過在兩個節點之間放置更多的菱形單元來擴大覆蓋範圍。

在使該設備成爲長距離量子通訊的一部分以前，還有許多其餘必要的改進。它須要在兩個真正獨立的團體之間實現，而不只僅是實驗室中的工做站。此外，它目前所使用的波長不一樣於當今最適合在光纜上使用的波長，而且它須要一種將信號轉換爲這些波長的方法。

業界怎麼看？

儘管如此，其餘未參與研究的研究人員對這項工做的技術成就依然表示期待。

卡爾加里大學量子科學與技術研究所所長巴里·桑德斯（Barry Sanders）說這是「使人振奮的原理證實」，不只由於它展現了量子記憶的方式，並且還進行了測量以證明光子之間的糾纏。可是，他說，將其擴展爲更實際的用途還有很長的路要走。

西北大學光子通訊與計算中心主任（未參與研究）的另外一位研究者 Prem Kumar 認爲這是一項值得注意的工做，也是相當重要的一步。但這只是衆多相當重要的步驟中的其中之一，只有所有實現了最終才得以成功。可是他強調，任何成熟的量子網絡都還不可能實現。

結語

世界各地的科學家都在研究最終量子互聯網的各個方面。研究人員已經在芝加哥和波士頓地區設計了光纖線路，以便在更短的距離內進行更多這樣的實驗。

由中國科學技術大學的潘建偉領導的中國量子努力已設法將實驗室中超過 50 千米的繞線中存儲的量子態糾纏在一塊兒，並利用 Micius 衛星做爲中介未來自世界各地實驗室的光子糾纏在一塊兒。

可是，這些僅僅是更大難題中的各個部分，必須將它們整合在一塊兒，並必須解決其餘問題，例如換能器等。

不過這終究是一個使人興奮的進步，可是正如 Kumar 告訴 Gizmodo 所說的，它距離將來的模糊量子互聯網只有幾步遠了。

資料參考來源：

GIZMOD：《Scientists Save Quantum States in a Diamond, a Tiny Step
Toward a Quantum Internet》
https://gizmodo.com/scientist...

Nature：《A diamond’s quantum memory sets a glittering record》
https://www.nature.com/articl...

Physicsworld：《Diamond defects could boost the range of quantum
cryptography》
https://physicsworld.com/a/di...