量子互联网可以用来发送不可破解的信息，提高GPS的准确性，并使基于云的量子计算成为可能。20多年来，建立这样一个量子网络的梦想一直遥不可及，这在很大程度上是因为在长距离传输量子信号时很难不受损失。
现在，哈佛大学和麻省理工学院(MIT)的研究人员已经找到了一种方法来修正信号丢失，用一个原型量子节点来捕获、存储和纠缠量子信息。这项研究是通向实用量子互联网的缺失环节，也是远程量子网络发展的重要一步。
“这个演示是一个概念上的突破，它可以扩展量子网络的最大可能范围，并可能以任何现有技术都无法实现的方式，实现许多新的应用，”物理学教授、哈佛量子计划(Harvard quantum Initiative)联合主任米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)说。“这是我们量子科学和工程界20多年来一直追求的一个目标的实现。”
这项研究发表在《自然》杂志上。
从最早的电报到今天的光纤互联网，每一种通信技术都必须解决这样一个问题，即信号在远距离传输时会减弱或丢失。第一批接收和放大信号以弥补这种损失的中继器是在19世纪中期发展起来的，用来放大衰落的电报信号。200年后，中继器成为我们远程通信基础设施的一个重要组成部分。
在一个经典的网络中，如果纽约的Alice想要向加利福尼亚的Bob发送一条消息，那么这条消息就会以一条或多或少的直线从一个海岸传到另一个海岸。在这个过程中，信号通过中继器，在那里进行读取、放大和纠正错误。整个过程在任何时候都容易受到攻击。
然而，如果Alice想要发送一个量子信息，这个过程是不同的。量子网络利用光的量子粒子——单个光子——来远距离地传递光的量子态。这些网络有一个经典系统没有的技巧:纠缠。
纠缠——爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”——允许信息位元在任何距离上完美地关联。因为量子系统不能在不改变的情况下被观察到，所以Alice可以使用纠缠来给Bob发送消息，而不用担心被窃听。这个概念是量子密码学等应用的基础——量子物理定律保证了安全性。
然而，长距离量子通信也受到传统光子损耗的影响，这是实现大规模量子互联网的主要障碍之一。但使量子通信极其安全的物理原理，也使现有的经典中继器无法修复信息丢失。
如果你看不懂一个信号，你怎么放大和校正它呢?这个看似不可能完成的任务的解决方案涉及到一个所谓的量子中继器。传统的中继器通过现有的网络来放大信号，而量子中继器则不同，它创建了一个由相互纠缠的粒子组成的网络，通过这个网络可以传输信息。
从本质上讲，量子中继器是一种小型、专用的量子计算机。在这样一个网络的每个阶段，量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子位，以纠正错误，并将它们存储足够长的时间，使网络的其余部分准备就绪。到目前为止，这是不可能的，原因有二:第一，单光子很难捕捉。其次，量子信息是出了名的脆弱，这使得长时间的处理和存储非常具有挑战性。
鲁金的实验室,与马可Loncar合作,林Tiantsai电气工程教授哈佛约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋),鸿坤公园,马克·海曼。哈佛大学的化学教授艺术和科学学院(FAS)和德克·英格伦,麻省理工学院的电气工程和计算机科学副教授,一直致力于利用一个系统,可以执行这两个任务金刚石中的硅空位色心。
这些中心是钻石原子结构中的微小缺陷，它们可以吸收和辐射光线，从而产生钻石的绚丽色彩。
“在过去的几年里，我们的实验室一直致力于理解和控制单个硅空位的颜色中心，特别是围绕着如何使用它们作为单光子的量子存储设备，”卢金团队的艺术与科学研究生院(GSAS)学生米希尔·巴斯卡尔(Mihir Bhaskar)说。
研究人员将单个颜色中心集成到一个纳米级的钻石腔中，从而限制了携带信息的光子，并迫使它们与单个颜色中心相互作用。然后，他们将设备放置在一个温度接近绝对零度的稀释冰箱中，并通过光纤电缆将单个光子发送到冰箱中，在那里光子被色心有效捕获并捕获。
该设备可以将量子信息储存数毫秒——足够信息传送数千公里。嵌在腔体周围的电极被用来传递控制信号，以处理和保存存储在存储器中的信息。
“这种设备结合了量子中继器的三个最重要的元素——长内存、从光子上有效捕获信息的能力，以及一种局部处理它的方法，”纳米光学实验室的GSAS学生巴特·马基雅尔斯(Bart Machielse)说。“每一个挑战都被单独解决了，但没有一个设备能同时解决这三个问题。”
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“目前，我们正在通过在真实的城市光纤链路上部署我们的量子记忆来扩展这项研究，”鲁金集团的博士后候选人拉尔夫·里丁格(Ralf Riedinger)说。“我们计划建立一个庞大的量子纠缠存储器网络，并探索量子互联网的首批应用。
这是第一个系统级的演示，结合了纳米制造、光子学和量子控制的重大进展，显示出使用量子中继节点通信信息的明显量子优势。我们期待着开始探索使用这些技术的新的、独特的应用。”
这项研究由巴斯卡尔、里丁格、马基雅尔、戴维·莱沃尼、克里斯蒂安·阮、埃里克·克纳尔、帕克、英格伦、龙卡、丹尼斯·苏卡乔夫和卢金共同撰写。
它得到了美国国家科学基金会、国防部、能源部、空军科研办公室和海军研究办公室的部分支持。
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