荷兰研究团队在量子网络领域迎来新进展

据《自然》新闻2月17日报道，荷兰代尔夫特理工大学近日在量子网络领域有了新进展。该校物理学家将三个量子设备连接在一个网络中，向未来的量子互联网迈出重要一步。

这项研究已于2月8日发布在预印本网站arXiv，题为“Realization of a multi-node quantum network of remote solid-state qubits”。日本庆应义塾大学（Keio University）量子网络工程师Rodney Van Meter表示，这项研究是向前迈出的一大步，尽管该网络还没有达到实际应用所需的性能，但展示了使量子互联网能够连接远距离节点的关键技术。

量子互联网可以理解为量子通信技术支撑的一种产生和使用量子资源的新型功能网络。“量子互联网”不是对现有互联网的替代，而是在互联网上叠加新功能的基础设施。

量子通信的核心是储存在量子比特中的信息，量子网络的主要目的则是使用户设备上的量子比特与其他设备上的量子比特发生纠缠。这种纠缠有多种潜在用途，例如加密等等。

此前，已有其他研究人员演示过三节点量子网络的原理，但《自然》新闻称新方法更容易实现实际应用。

荷兰代尔夫特理工大学的物理学家罗纳德·汉森（Ronald Hanson）与他的合作者利用量子纠缠现象建立了连接三个量子设备的网络。每个设备持有一个量子比特的信息，可以与另外两个发生纠缠。这样的网络可以成为未来量子互联网的基础。

这些量子设备将量子信息储存在人造金刚石晶体中，这些晶体的其中一个碳原子被氮原子取代。利用这些金刚石设备，研究团队可以将光子导入光纤，并将其传送到另一个设备，在远程量子比特之间建立纠缠。

量子存储器（quantum memory）是建立三方纠缠的关键。这个“量子存储器”可以比其他量子比特保存数据的时间更长，其中用到碳的非放射性同位素碳13。通过操纵电子，研究人员能够推动碳原子核进入特定的量子态，把它变成一个额外的量子比特。这样的量子存储器可以在量子状态保持1分钟或更长时间。

上述存储器使研究人员能够分阶段建立三个设备的网络。首先，他们将一个末端节点与中心节点通过氮原子纠缠在一起。然后，研究人员将氮原子的量子态储存在存储器中。这样一来，中心节点作为量子比特的氮原子被释放，使其能与第三个节点的量子比特发生纠缠。最后，中心设备的一个量子比特与第一个节点发生纠缠，另一个量子比特同时与第三个节点发生纠缠。

代尔夫特理工大学并不是第一个成功连接三个量子存储器的团队。2019年，中国科学技术大学教授潘建伟团队在《自然·光子学》杂志发表题为“Entanglement of three quantum memories via interference of three single photons”的研究。他们成功地利用多光子干涉将分离的三个冷原子量子存储器纠缠起来，为构建多节点、远距离的量子网络奠定了基础。奥地利因斯布鲁克大学的物理学家特雷西·诺斯普（Tracy Northup）认为，他们的实验还不能按需发生纠缠。通过探测光子，研究团队实现的是“追溯性地提取纠缠存在的事实”。

《自然》新闻评价称，代尔夫特理工大学研究团队通过将信息存储在一个节点上演示了纠缠交换技术，“这种技术对于未来的量子互联网来说，可能就像路由器对互联网一样重要”。
任编辑:tzh