新型量子中继器是什么？全球量子互联网的关键

使量子计算机运转的物理学对扰动非常敏感。目前，这些计算机很难像传统计算机那样远距离相互共享数据，在这种情况下，中间计算可能会从一台服务器转移到另一台服务器。但为了推动量子分布式计算，科学家们开发了一种“量子中继器（quantum repeater）”，可以帮助通过当今电信公司使用的光纤电缆连接此类计算机。一项新的研究发现，这将使量子计算机能够在不需要卫星连接的情况下跨越数十公里，理论上可以跨越数百公里。

量子物理学使一种被称为纠缠的奇怪现象成为可能。从本质上讲，两个或两个以上的粒子（如光子）连接或“纠缠”在一起，理论上可以相互影响，无论它们相距多远。纠缠对量子计算机的工作至关重要，量子计算机理论上可以解决传统计算机无法解决的问题。

量子网络可以连接量子计算机，也有助于实现受理论上防黑客量子加密保护的信息的量子通信。此外，它们可以帮助非常精确的量子传感器以阵列的形式连接在一起，在许多应用中实现更高的精度，例如帮助探测隐藏的地下资源和采矿等。

“作为一名科学家，我个人更感兴趣的是传感应用，以及它们能为我们周围的世界提供什么见解，”该研究的资深作者、奥地利因斯布鲁克大学的量子物理学家Ben Lanyon说。

量子网络项目的资金正在缓慢增长。例如，量子互联网联盟（Quantum Internet Alliance）于2022年启动了一项为期七年的计划，旨在在欧洲建立一个创新的量子互联网生态系统，其第一阶段的预算为2400万欧元（约2600万美元）。此外，2021年，美国能源部宣布将投入600万美元开发用于发送和接收量子网络流量的新设备，并进一步投入2500万美元开发区域规模的量子网络测试平台。量子互联网初创公司也在获得资金，例如，纽约石溪大学的子公司Qunect在2022年筹集了850万美元的a轮融资。

先前的研究表明，卫星可以帮助相距1000多公里的地面站之间传输量子信号。然而，科学家们也希望建立基于光纤的量子网络，原因与绝大多数现代互联网流量通过光纤而非卫星运行的原因相同。光纤支持更大的带宽；体验更少的延迟，因为它可以直接连接两个点，而不需要信号从卫星上反弹；Lanyon解释说，它不易受到来自阳光，天气，或噪音的影响。

尽管如此，在长距离的情况下，光子在光纤中丢失的可能性越来越大。为了克服这个问题，科学家们试图制造量子中继器，这种设备可以作为发射器和接收器之间的中间中继节点，帮助量子信号传播。量子中继器的第一个蓝图是25年前开发出来的。

此前，Lanyon和他的同事使用光纤帮助两个离子在230米的距离内纠缠。现在，他们已经建造了一个量子中继器，可以帮助量子信号穿越50公里。此外，这些发现表明，这些设备的链可以帮助量子信息传播10倍以上的距离，这是现实世界中实际量子网络所需的长度。

理想情况下，科学家们指出，量子中继器应该具备三个关键能力。首先，他们应该使用标准的电信波长光子，与其他波长相比，这些光子在光纤中传播的损失更小。其次，它们应该拥有量子存储器，这种设备可以帮助中继器存储并中继纠缠数据。第三，中继器应该能够以可预测的方式在网络中的节点之间交换这些数据，而不是太容易受到偶然性的影响。

研究人员现在首次开发了一种量子中继器，将所有这些功能整合在一个系统中。Lanyon说：“以前曾单独展示过成熟的量子中继器节点，但它们并没有全部组合在一起。”

其中一个新的中继器拥有一对在离子阱中捕获的钙离子，用作两个量子存储器。当被紫色激光脉冲照射时，它们各自发射一个与离子纠缠的光子。另一个设备将这些光子中的每一个转换为1550纳米电信波长的光。然后，一个光子被沿着25公里长的光纤线轴发送到一个节点，而另一个光子则被引导通过另一个线轴到达另一个节点。中继器然后交换离子的纠缠数据，使光子及其节点在50公里的总距离内纠缠。

科学家们发现，中继器可以帮助以每秒9.2的速度传输纠缠光子。相比之下，在实验中，他们在没有中继器的情况下，将纠缠光子从一个点直接传输到另一个点，传输距离为50公里，其速率约为每秒6.7。尽管中继器在50公里处可能只提供一个小优势，但研究人员计算出，如果没有中继器，在100公里以上的距离处，传输速率会显著下降。

此外，Lanyon和他的同事计算出，只要稍作调整，在一个链中使用17个这种中继器的副本，就可以在800公里的距离上传输纠缠光子，尽管传输速率下降了十倍。

Lanyon指出，尽管捕获的离子对当今光和物质的量子态提供了最精确的控制，但离子陷阱目前“相当大且笨重”。他说：“其他人研究了基于固态系统的量子中继器，如氮空位中心微观人造钻石，其中碳原子被氮原子取代，相邻的碳原子缺失。”

然而，尽管固态量子中继器可能被证明更精简和可扩展，但Lanyon说，目前“固态系统实现的量子控制水平还不在离子水平。然而，尽管固态量子中继器可能被证明更精简和可扩展，但Lanyon说，目前“固态系统实现的量子控制水平还不在离子水平”。

未来，除了建立中继器链外，科学家们还想进行并行发送大量光子的实验。Lanyon说：“这种‘多模’量子网络是未来可加速的地方。”

科学家们在5月22日的《物理评论快报》杂志上详细介绍了他们的发现。