量子通讯“史诗般的实验”意味着什么？

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Davide Castelvecchi，原文标题：《“史诗般的实验”：迈向超安全互联网的量子网络》，题图来自：视觉中国

物理学家向着未来的量子互联网前进了一大步：他们成功将三台量子设备连成了一个网络。有了量子互联网，就可以进行超安全的通讯，实现进一步的科学应用，例如探测引力波的新型传感器，以及分辨率远超现在的望远镜。论文于2月8日发布于arXiv预印本服务器上^[1]（译者注：文章已于4月16日发表于《科学》）。

荷兰代尔夫特理工大学通过量子纠缠，将多台钻石设备连接起来。来源：Frank Auperle

“这是向前迈出的一大步。”日本庆应大学量子网络工程师Rodney Van Meter说。虽然这个网络的性能远未到达实用的要求，Van Meter解释道，但它证实了一项能让量子网络在长距离下连接节点（node）的关键技术。

量子通讯（quantum communications）利用量子领域中独有的现象——例如，基本粒子或原子可以同时存在于多个状态的“叠加态”中，或是和其他粒子之间共享某种“纠缠态”。此前研究者已经演示过^[2]三节点量子网络的原理，但最新的这种方法或更接近于实用。

纠缠网络

量子通讯的核心是量子比特（qubit）中储存的信息——量子比特对应经典计算机的比特。每个量子比特可以编码为“0”和“1”的叠加态。量子网络的主要目的是让一个用户设备的量子比特和其他用户设备的量子比特产生纠缠。这种纠缠有很多潜在用途，最基本的用途是加密：由于对纠缠对象的测量必定是相干的，因此只要重复读取量子比特的状态，就可以生成一系列只有双方知道的密码。

来源：参考文献[1]

在这项最新的实验中，荷兰代尔夫特理工大学的物理学家Ronald Hanson和同事连接起了三台设备，这样任意两台设备都拥有互相纠缠的量子比特。他们还让三台设备的量子比特都处于三方纠缠态（a three-way entangled state），其应用包括可以让三个用户共享秘密信息。

代尔夫特大学的每个设备都使用合成钻石晶体储存量子信息，确切地说，储存量子信息的是钻石晶体的缺陷——一个碳原子被一个氮原子取代。

在这样的钻石设备中，研究者可以戳这个氮原子量子比特，让它放出光子，该光子会自动与氮原子的量子态产生纠缠。他们接下来将这个光子送入光纤，传给另一台设备，这样就能在远距的量子比特之间构建起纠缠态。在2015年演示的一次精彩实验^[3]中，代尔夫特大学团队成功让两台钻石设备产生了纠缠，然后用它们验证了量子力学的一些重要预测。

量子内存

在这次的最新实验中，团队的三台设备之一——处于网络中央的一台——还能将信息储存进“量子内存”（quantum memory）中，它储存信息的时间比其他量子比特更长，是建立起三方纠缠的关键。这个内存量子比特使用了碳-13——这种碳的非放射性同位素在自然界的碳中约占1%。碳-13的原子核中多了一个中子，这让它的作用有点像一个条形磁铁。研究者使用氮缺陷中的活跃电子作为探测器来定位附近的碳-13原子核。通过操控这个电子，他们可以让碳原子核进入特定的量子态，将它变成另一个量子比特。这种碳量子内存的量子态可以保持1分钟或更久——对于亚原子世界来说这几乎是永恒了。

研究者能够逐步构建起三设备网络正是靠了碳内存。首先，他们将一个末端节点和中央节点的氮原子纠缠起来，然后将氮原子的量子态储存进碳内存中。这样，中央节点的氮量子比特就空了出来，可以和第三节点中的量子比特纠缠。如此一来，中央设备中就有一个和第一节点纠缠的量子比特，以及一个同时和第三节点纠缠的量子比特（见“量子网络”）。

该技术仍然需要数年的改进。碳量子比特必须和周围环境足够绝缘，其量子态才能在其他操作下保持不变；它还必须能被访问，这样才能编程控制。“你想要储存量子态，就要对它加以保护，但是又不能保护得太过。”Hanson在2018年向一位访问实验室的记者这样说。

包括以上问题在内的诸多挑战使得这次的实验比二节点网络要难很多，奥地利因斯布鲁克大学物理学家Tracy Northup说。“一旦你开始尝试连接三台设备，你就会发现复杂程度剧增。”

通过将信息储存在一个节点上，团队验证了一种叫做纠缠交换（entanglement swapping）的技术，这可能是未来量子互联网的关键，就像路由器之于现代互联网。

材料问题

代尔夫特团队并非第一个成功连接起三个量子内存的团队：2019年，中国科技大学的潘建伟团队使用另外一种量子比特做到了这一点。他们使用的量子比特基于原子云，而非固体中的个体原子^[2]。但是那次实验无法按需产生纠缠，Northup说。通过探测光子，潘建伟团队只能“事后发觉纠缠存在”，而不是纠缠仍能被进一步利用。

Van Meter说原子云量子比特的用途较为受限，因此潘建伟团队想实现量子交换非常困难——不过也不是不可能。“对于潘的团队，我从来不会说不可能。”

哈佛大学物理学家Mikhail Lukin称代尔夫特大学团队完成了“史诗般的实验”，但补充说该实验性能较慢，意味着氮缺陷也有其限制。Lukin的团队正在用具有硅缺陷的钻石进行类似的实验，在和光子的反应上效率更高，他说。其他团队构建的网络使用了电磁场束缚的离子，或是使用稀土元素晶体中的缺陷。这样就可以和红外光子相互作用，而红外光子可以经由光纤传输数公里而不产生较大损失。（光纤传输由钻石氮缺陷释放的可见光光子的能力较差。）

Hanson与合作者在论文中写道，他们的技术可以“在将来为类似技术平台达成同样成熟度提供指导”。

参考文献：

1. Pompili, M. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2102.04471 (2021).

2. Jing, B. et al. Nature Photon. 13, 210–213 (2019).

3. Hensen, B. et al. Nature 526, 682–686 (2015).

原文以Quantum network is step towards ultrasecure internet标题发表在2021年2月17日的《自然》的新闻版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Davide Castelvecchi