基于纠缠的量子网络

来自荷兰QuTech的一组研究人员在《科学》杂志论文，报告了连接三个量子处理器的第一个多节点量子网络的实现。此外，他们还进行了关键量子网络协议的原理证明演示，这标志着未来量子互联网的一个重要里程碑。

量子互联网

互联网的力量在于它允许地球上的任何两台计算机相互连接，实现了几十年前互联网诞生时做梦也想不到的应用。今天，世界各地许多实验室的研究人员正在努力开发量子互联网的第一个版本，这个网络可以远距离连接任何两个量子设备，如量子计算机或传感器。今天的互联网以比特（可以是0或1）来分发信息，而未来的量子互联网将利用可以同时是0和1的量子比特。

“量子互联网将开启一系列新颖的应用，从具有完全用户隐私的不可破解的通信和云计算到高精度的时间记录，”博士生、研究小组成员Matteo Pompili说。就像40年前的互联网一样，可能有很多应用是我们现在无法预见的。

走向无处不在的连接

在过去的十年里，通过连接两个共享直接物理链接的量子设备，朝着量子互联网迈出了第一步。然而，能够通过中间节点（类似于经典互联网中的路由器）传递量子信息对于创建可扩展的量子网络至关重要。此外，许多有前途的量子互联网应用依赖于在多个节点之间分配的纠缠量子比特。纠缠是一种在量子尺度上观察到的现象，从根本上连接小距离甚至大距离的粒子。它为量子计算机提供了巨大的计算能力，是未来量子互联网上共享量子信息的基础资源。

通过在实验室中实现的量子网络，由代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）和TNO大学合作的QuTech公司的研究人员，首次通过中间节点连接了两个量子处理器，并在多个独立的量子处理器之间建立了共享纠缠。

操作量子网络

基本的量子网络由三个量子节点组成，它们位于同一架构内的某个距离处。为了让这些节点像真正的网络一样运行，研究人员必须发明一种新的架构，使其能够超越单个链路。中间节点（称为Bob）与两个外部节点（称为Alice和Charlie）都有物理连接，允许与这些节点中的每一个建立纠缠链接。Bob配备了一个额外的量子位，可以用作内存，允许在建立新链接的同时存储以前生成的量子链接。在建立了量子链路Alice-Bob和Bob-Charlie之后，Bob的一组量子操作将这些链路转换成量子链路Alice-Charlie。或者，通过在Bob上执行一组不同的量子操作，在所有三个节点之间建立纠缠。

准备后续使用

该网络的一个重要特征是，它用一个“标志”信号来宣布这些（本质上是概率性的）协议的成功完成。这种预示对于可扩展性至关重要，因为在未来的量子互联网中，许多这样的协议将需要连接起来。该团队的另一名成员Sophie Hermans说，“一旦建立起来，我们就能够保存由此产生的纠缠态，保护它们免受噪音的影响。这意味着，原则上，我们可以将这些状态用于量子密钥分发、量子计算或任何其他后续的量子协议。”

量子互联网演示器

这个第一个基于纠缠的量子网络为研究人员提供了一个独特的试验台，用于开发和测试量子互联网硬件、软件和协议。领导该研究小组的Ronald Hanson说，未来的量子互联网将由无数的量子设备和中间节点组成。QuTech的同事已经在研究未来与现有数据基础设施的兼容性。在适当的时候，目前的原理验证方法将在实验室外的现有电信光纤上进行测试，运行QuTech的量子互联网演示器。

更高级别的层

在实验室中，研究人员将专注于向他们的三节点网络添加更多的量子位，并添加更高级别的软件和硬件层。Pompili说，“一旦运行网络的所有高级控制和接口层都被开发出来，任何人都将能够编写和运行网络应用程序，而无需了解激光器和低温恒温器是如何工作的。这是最终目标。”

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210415142619.htm

—煤油灯科技victorlamp.com编译整理—