加州理工学院的工程师们已经证明，光学元件中的原子——用于照明的小盒子——可能是创建量子互联网的基础。他们的研究发表在3月30日的《自然》杂志上。
量子网络将通过一个同样在量子层面而非经典层面运行的系统来连接量子计算机。从理论上讲，量子计算机总有一天能够比传统计算机更快地执行某些功能，因为它利用了量子力学的特殊性质，包括允许量子比特同时以1和0的形式存储信息的叠加。
与传统计算机一样，工程师们希望能够连接多个量子计算机来共享数据并协同工作，从而创建一个"量子互联网。"这将为几个应用程序打开大门，包括解决单个量子计算机无法处理的计算问题，以及使用量子密码学建立牢不可破的安全通信。
为了工作，量子网络需要能够在两点之间传输信息，而不改变被传输信息的量子属性。当前的一种模型是这样工作的:单个原子或离子充当一个量子比特(或"qubit")，如果它的量子属性(如自旋)通过一个量子比特来存储信息。为了读取信息并将其传输到其他地方，原子受到光脉冲的激发，使其发射出一个自旋与原子自旋纠缠在一起的光子。光子可以通过光缆将与原子纠缠的信息远距离传输。
然而，这比听起来要难。找到你可以控制和测量的原子，同时又不会对引起误差或退相干的磁场或电场波动过于敏感，是一项具有挑战性的工作。
"固态发射器与光的良好互动往往成为退相干的受害者;也就是说，从量子工程的角度来看，它们不再以一种有用的方式存储信息，《自然》杂志上这篇论文的第一作者乔恩•金顿(Jon Kindem, 17岁，博士，19岁)说。与此同时，稀土元素的原子与光的相互作用也很弱。
为了克服这一挑战，由加州理工学院应用物理学和电工学教授安德烈·法拉昂(BS '04)领导的研究人员，用一块晶体雕刻出了一个长度约为10微米、带有周期性纳米图案的纳米光子腔。然后他们在光束中心发现了一个稀土镱离子。光腔允许他们将光在光束上来回多次反射，直到最后被离子吸收。
在《自然》杂志发表的论文中,研究小组表明,腔修改离子的环境中,这样当它释放光子,超过99%的时候,光子在腔,在那里科学家可以有效地收集和检测,光子测量离子的状态。这使得离子发射光子的速度加快，从而提高了整个系统的效率。
此外，镱离子可以在自旋中存储30毫秒的信息。在这个时候，光可以传输信息，穿越美国大陆。"这个可以检查大部分的箱子。"应用物理和电气工程教授Faraon说，这是一种稀土离子，它吸收和发射光子的方式与我们创建量子网络所需的方式完全相同。这可能成为量子互联网的骨干技术
目前，团队的重点是创建量子网络的构件。下一步，他们希望扩大他们的实验规模，并实际连接两个量子比特，Faraon说。
他们的论文名为《"控制与嵌入在纳米光子腔中的离子的单镜头读出》("Control and single-shot readout of an ion embedded in a nanophotonic空腔)。"的合著者包括研究生Andrei Ruskuc和Jake Rochman (MS '19)，前博士后研究员John Bartholomew和Yan Qi Huan (BS '19)。这项研究由美国国家科学基金会、美国空军科学研究办公室和加州理工学院量子信息与物质研究所(IQIM)资助，并利用了加州理工学院的Kavli纳米科学研究所实验室(KNI)。
上图:艺术家在奈米光子腔中描绘镱离子(Ella Maru工作室/Faraon实验室)。
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