量子網際網路可以用來發送不可破解的資訊，提高 GPS 系統的精度，並支援基於雲的量子計算。二十多年來，由於很難在沒有損失的情況下通過遠距離傳送量子訊號，建立這樣一個量子網路的夢想在很大程度上一直遙不可及。

現在，哈佛大學和麻省理工學院的研究人員已經找到了一種方法，用一個可以捕獲、儲存和糾纏量子資訊位元的原型量子節點來校正訊號丟失。這項成果 3 月 23 日線上發表在《自然》雜誌上。

這項研究填補了通向實用量子網際網路的缺失環節，也是長距離量子網路發展的重要一步。

哈佛量子計劃聯合主任、George Vasmer-Leverett 物理學教授 Mikhail Lukin 表示：“該成果是一項概念性的突破，可以擴充套件量子網路的最長範圍，並有可能以任何現有技術都無法實現的方式實現許多新應用。這是我們的量子科學和工程界超過二十年的目標的實現。”

安全傳輸的量子技術

從第一臺電報機到今天的光纖網際網路，每一種通訊技術都必須解決訊號在遠距離傳輸時的退化和丟失問題。

第一批中繼器是在 19 世紀中期發展起來的，用來接收和放大訊號以彌補這種損失。200 年後，中繼器已成為我們遠端通訊基礎設施不可或缺的一部分。

在經典網路中，如果紐約的 Alice 想向加利福尼亞的 Bob 傳送一條訊息，那麼這個資訊在一條直線上從一個海岸傳遞到另一個海岸。在此過程中，訊號通過中繼器，在中繼器中被讀取、放大並校正錯誤。整個過程中也十分容易受到攻擊。

但是，如果 Alice 想傳送量子訊息，過程則有所不同。量子網路使用光的量子粒子 - 單個光子 - 來遠距離傳輸光的量子態。這些網路具有經典系統所沒有的技巧：糾纏。

糾纏被愛因斯坦稱為 “遠距離的恐怖行為”，可使資訊的位元在任何距離上都完美關聯。由於不改變就無法觀察到量子系統，因此 Alice 可以使用糾纏向 Bob 傳送訊息，而不必擔心竊聽者。

這一概念是應用量子密碼術的基礎，量子物理學定律保證了安全性。

量子通訊存在難題

然而，遠距離的量子通訊也受到常規光子損耗的影響，這是實現大規模量子網際網路的主要障礙之一。但是，量子通訊超安全的物理原理也使得不可能使用現有的經典中繼器來修復資訊丟失。

如果看不到訊號，該如何放大和校正訊號呢？這個看似不可能的難題，意味著需要一個所謂的量子中繼器。

本質上來講，量子中繼器是一種小型的專用量子計算機。在這樣一個網路的每個階段，量子中繼器必須能夠捕獲和處理量子資訊的量子位元以糾正錯誤，並將其儲存足夠長的時間，以便網路的其餘部分準備就緒。

到目前為止，由於兩個方面的原因導致這是不可能的：

第一，單光子很難捕獲。

第二，眾所周知，量子資訊非常脆弱，因此長時間處理和儲存非常具有挑戰性。

矽空位色心彌補缺陷

哈佛大學 Lukin 實驗室與麻省理工學院（MIT）電子研究實驗室一直致力於利用一種能很好地完成這兩項任務的系統——金剛石中的矽空位色心（silicon-vacancy color centers）。

這些中心是鑽石原子結構中的微小缺陷，可以吸收和輻射光，從而產生鑽石的鮮豔色彩。

Lukin 研究組的研究生 Mihir Bhaskar 表示：“在過去的幾年中，我們實驗室一直在努力理解和控制各個矽空位色心，特別是如何將它們用作單光子的量子儲存裝置。”

研究人員將 一個單獨的色心整合到了納米金剛石腔中，從而限制了承載資訊的光子，並迫使它們與單個色心相互作用。然後，他們將該裝置放置在溫度接近絕對零度的冰箱中，並通過光纖電纜將單個光子送入冰箱，在那裡它們被色心有效捕獲和捕獲。

結果表明，該裝置可以儲存毫秒級的量子資訊足夠長的時間，以將資訊傳輸數千公里之外。

奈米級光學實驗室的研究生 Bart Machielse 說：“該裝置結合了量子中繼器的三個最重要的元素，較長的儲存時間、有效地從光子中捕獲資訊的能力，以及就地進行處理的方式。這些挑戰中的每一個問題之前都得到了單獨解決，但是沒有一個裝置將這三個問題結合在一起。”

研究人員表示，“當前，我們正通過在真實的城市光纖鏈路中部署量子儲存器來擴充套件這項研究。我們計劃建立糾纏大型量子儲存器網路，並探索量子網際網路的首次應用。”

Lukin 說：“這是首次系統級演示，結合了納米制造、光子學和量子控制方面的重大進展，顯示了在使用量子中繼器節點進行資訊傳輸方面的明顯量子優勢。我們期待著開始探索使用這些技術的獨特新應用。”

參考資料：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/hjap-tau032020.php

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2103-5