设备可以启动量子互联网的工作

在可能推动量子互联网发展的研究中，麻省理工学院和剑桥大学的研究人员建造并测试了一种精致的小型设备，可以允许量子信息在长距离内快速、高效地流动。

该设备的关键是由金刚石制成的“微芯片”，其中金刚石的一些碳原子被锡原子取代。该团队的实验表明，该设备由光波导组成，用于携带量子信息，解决了阻碍大型可扩展量子网络到来的悖论。

量子位或量子位形式的量子信息很容易受到环境噪声(例如磁场)的干扰，从而破坏信息。因此，一方面，希望量子位不与环境发生强烈相互作用。然而，另一方面，这些量子位需要与光或光子强烈相互作用，这是远距离携带信息的关键。

麻省理工学院和剑桥大学的研究人员通过共同集成两种不同类型的量子位来协同工作来保存和传输信息，从而实现了这两种方法。此外，该团队报告信息传输效率很高。

“这是关键的一步，因为它证明了将电子和核量子位集成在微芯片中的可行性。这种集成解决了长距离保存量子信息的需要，同时保持与光子的强相互作用。这是通过结合以下技术的优势而实现的：剑桥大学和麻省理工学院团队”，麻省理工学院电气工程与计算机科学系 (EECS) 副教授兼麻省理工学院团队负责人 Dirk Englund 说道。恩格伦德还隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

剑桥团队负责人 Mete Atatüre 教授表示：“这些结果是两个研究团队多年来强有力合作的结果。很高兴看到理论预测、器件制造和实施的结合。新颖的量子光学控制集于一身。”

该工作发表在《自然·光子学》杂志上。

在量子尺度上工作

计算机位可以被认为是具有两种不同物理状态的任何东西，例如“开”和“关”，以表示零和一。在量子力学的奇怪超小世界中，量子位“具有额外的属性，它不仅可以处于这两种状态之一，还可以处于这两种状态的叠加。因此它可以同时处于这两种状态同时，”马丁内斯说。纠缠或相互关联的多个量子位可以比与传统计算相关的位共享更多的信息。因此，量子计算机具有潜在的力量。

量子位有很多种，但两种常见类型基于自旋，即电子或原子核的旋转(从左到右，或从右到左)。新设备涉及电子和核量子位。

自旋电子或电子量子位非常擅长与环境相互作用，而原子自旋核或核量子位则不然。“我们将一个以轻松与光相互作用而闻名的量子位与一个以非常孤立而闻名的量子位结合在一起，从而可以长期保存信息。通过将这两者结合起来，我们认为我们可以充分利用两个世界，”马丁内斯说。

它是如何工作的?“在钻石中呼啸而过的电子[电子量子位]可能会卡在锡缺陷处，”哈里斯说。然后，这个电子量子位可以将其信息传输到旋转的锡核，即核量子位。

“我喜欢用太阳系做类比，”哈里斯继续说道。“太阳在中间，那就是锡核，然后地球绕着它转，那就是电子。我们可以选择以地球自转的方向存储信息，这就是我们的电子量子位。或者“我们可以沿着太阳的方向存储信息，太阳绕自己的轴旋转。这就是核量子位。”

一般来说，光通过光纤将信息传送到新设备，该设备包括一堆微型金刚石波导，每个波导比人类头发丝小约 1,000 倍。那么，一些设备可以充当控制量子互联网中信息流的节点。

《自然光子学》中描述的工作涉及使用一台设备进行实验。“然而，最终，微芯片上可能有成百上千个这样的东西，”马丁内斯说。在《自然》杂志上发表的2020 年研究中，麻省理工学院的研究人员(包括几位现任作者)描述了他们对能够实现设备大规模集成的架构的愿景。

哈里斯指出，他的理论工作预测了锡核和传入的电子量子位之间的强烈相互作用。“它比我们预期的大十倍，所以我认为计算可能是错误的。然后剑桥团队过来测量了它，很高兴看到实验证实了这一预测。”

马丁内斯表示同意，“理论加上实验最终让我们相信[这些相互作用]确实发生了。