美国的两家国家实验室计划建立一个新的量子网络

美国的两家国家实验室计划建立一个新的量子网络，该网络跨越48公里（30英里），将它们两家的设施连接起来。该项目对于美国在开发不可破解通信技术的全球竞赛中取得重要成果具有推动作用。

该芝加哥地区网络的目的是探索一种利用量子纠缠的更可靠方法。量子纠缠是一种允许一对纠缠粒子（即使它们相隔数英里）作为量子比特即时共享其量子状态的变化的现象。

它不会是世界上最长的量子网络，但该芝加哥倡议将通过利用固态材料构建量子比特，开创出一种独特的方法。如果成功，该项目将为通过固态量子比特传输信息的更大量子网络铺平道路。

芝加哥大学的自旋电子学和量子信息学教授David Awschalom说：“当其他的量子网络项目强调连接多个光纤段以扩展通信链路时，我们的试验床关注的是产生稳健、高效和可扩展的量子纠缠的方法。一旦我们掌握了这方法，就可以通过连接多个链接，轻松地将试验床加以扩展。”

美国能源部拨款了几百万美元来资助这个新的量子网络。该网络将在一年左右的时间内从阿贡国家实验室延伸到费米国家加速器实验室。这两家国家实验室和芝加哥大学已建立了一个名为“芝加哥量子交换”(Chicago Quantum Exchange)的合作项目，它由Awschalom牵头，是整个项目的先期项目。

利用该量子网络作为新技术的试验床，研究人员可以对很多可能性进行探索。量子网络可能是安全通信的基石，并最终可能形成全球范围的量子互联网。这种网络还可以帮助扩大量子计算的规模，使量子增强的精密测量和计时仪器的实验成为可能。

中国和其他一些国家里的最大量子网络主要依赖于基于光子或光粒子的量子比特。它们通常担当通过光缆传播的移动“飞行量子比特”。量子密钥分发网络中的一个常见方案是将纠缠光子用作在网络内的节点之间携带密钥的信使。但是，这些光子传播的时间越长，它们被吸收或分散的可能性就越大，无法到达目的地。

相比之下，芝加哥量子交换项目将使用光子“飞行量子比特”，在位于量子网络两端的固态量子比特节点之间启动纠缠。一旦网络任一端的固态量子比特共享纠缠量子态，它们就可以通过量子隐形传态直接在彼此之间传输信息。

Awschalom解释说，固态量子比特是基于“固体中的原子或原子样缺陷”。这些固态量子比特可包括晶体结构中缺少原子的金刚石和碳化硅，或含有单原子杂质的稀土矿物。这些材料与现代计算技术中使用的材料相近。

Awschalom说：“与起着'飞行量子比特'作用的光子相比，固态量子比特寿命长、稳定，并可以扩展到大型系统。”

将成为美国这一新的量子网络主干网的地下光缆已经存在，它们已经在十几年前作为伊利诺伊州高速数据网络的一部分而安装。研究人员计划在光纤网络的两端构建两个节点，其中包含量子比特源、存储器和转换器。

这个新项目是美国加大量子科学研究力度的最重要动作之一。与此同时，亚洲和欧洲的国家也在竞相开发量子网络。特别是中国已经展示了光纤量子网络如何与基于卫星的量子通信合作，以便在世界范围内安全地传输信息。

开发并发射自己的量子卫星，这也是美国未来可能迈出的一步。Awschalom说：“我们正在讨论将来把量子卫星作为附加节点并入地面节点以形成混合网络的途径。”