首次实现量子互联网的关键连接

研究人员首次产生、存储和检索量子信息，这是量子网络的关键一步。共享量子信息的能力对于开发用于分布式计算和安全通信的量子网络至关重要。量子计算将有助于解决一些重要类型的问题，例如优化金融风险、解密数据、设计分子和研究材料特性。

然而，这一发展受到阻碍，因为长距离传输时量子信息可能会丢失。克服这一障碍的一种方法是将网络分成更小的部分，并用共享的量子态将它们全部连接起来。

要做到这一点，需要一种存储量子信息并再次检索它的方法：即量子存储设备。它必须首先与另一个允许创建量子信息的设备“对话”。

研究人员首次创建了这样一个系统，将这两个关键组件连接起来，并使用常规光纤来传输量子数据。

这一壮举是由伦敦帝国理工学院、南安普顿大学以及德国斯图加特大学和维尔茨堡大学的研究人员实现的，研究结果发表在《科学进展》上。

伦敦帝国理工学院物理系的共同第一作者莎拉·托马斯博士说：“将两个关键设备连接在一起是实现量子网络的关键一步，我们很高兴成为第一个实现这一点的团队。能够证明这一点。”

斯图加特大学的共同第一作者卢卡斯·瓦格纳补充道：“允许远距离位置甚至量子计算机进行连接是未来量子网络的一项关键任务。”

远距离通讯

在常规电信中(例如互联网或电话线)，信息可能会在长距离内丢失。为了解决这个问题，这些系统在固定点使用“中继器”，读取并重新放大信号，确保信号完好无损地到达目的地。

然而，经典中继器不能与量子信息一起使用，因为任何读取和复制信息的尝试都会破坏它。这在某种程度上是一个优势，因为在不破坏信息并提醒用户的情况下，无法“窃听”量子连接。然而，这是长距离量子网络需要解决的挑战。

QD-量子存储器接口的实验装置示意图。(A)铷蒸气中电信ORCA量子存储器协议的能级方案。(B)具有半导体底部DBR、变质缓冲区(MMB)和氧化物顶部DBR的半导体QD样品的方案。(C)。用于将来自QD单光子源的光子存储在量子存储器中的混合接口的实验设置。图片来源：《科学进展》(2024)。DOI：10.1126/sciadv.adi7346

克服这个问题的一种方法是以纠缠的光或光子粒子的形式共享量子信息。纠缠光子以一种无法理解其中一个而无法理解另一个的方式共享属性。要在量子网络中长距离共享纠缠，您需要两种设备：一种用于创建纠缠光子，另一种用于存储它们并允许稍后检索它们。

有几种设备用于以纠缠光子的形式创建量子信息并存储它，但长期以来，研究人员一直未能实现按需生成这些光子并拥有兼容的量子存储器来存储它们。

光子具有一定的波长(在可见光下会产生不同的颜色)，但用于创建和存储光子的设备通常会调整为使用不同的波长，从而防止它们相互连接。

为了实现设备接口，该团队创建了一个系统，其中两个设备使用相同的波长。“量子点”产生(非纠缠)光子，然后将其传递到量子存储系统，该系统将光子存储在铷原子云中。激光可以“打开”和“关闭”存储器，从而可以根据需要存储和释放光子。

这两个设备的波长不仅匹配，而且与当今使用的电信网络的波长相同，从而可以通过日常互联网连接所熟悉的常规光纤电缆进行传输。

欧洲合作

该量子点光源是由斯图加特大学的研究人员在维尔茨堡大学的支持下创建的，然后被带到英国与帝国理工学院和南安普顿团队创建的量子存储设备连接。该系统是在伦敦帝国理工学院的地下室实验室组装的。

虽然已经创建了比新系统更高效的独立量子点和量子存储器，但这是第一个证明设备可以在电信波长上进行接口的证据。

该团队现在将寻求改进系统，包括确保所有光子都以相同的波长产生，延长光子的存储时间，并使整个系统更小。

然而，作为概念证明，这是向前迈出的重要一步，来自南安普顿大学的合著者帕特里克·莱丁厄姆博士说。“量子社区的成员已经积极尝试这种联系一段时间了。这包括我们，之前已经用不同的内存和量子点设备尝试过两次这个实验，时间可以追溯到五年多前，这只是表明做到这一点有多么困难”。

“这次的突破在于召集专家使用专业设备开发和运行实验的每个部分，并共同努力使设备同步。”