量子网络对解决量子计算和量子加密通信等问题非常重要。
量子网络可通过量子层面运行的系统连接量子计算机。《自然》杂志3月30日报道，美国加州理工学院的工程师们证实，纳米光腔中的稀土原子有可能是创建量子互联网的基础。
从理论上讲，量子计算机终将超越传统计算机。工程师们希望能将多个量子计算机连接起来，共享数据并协同工作，从而创建“量子互联网”。这将为多个潜在应用打开大门，包括解决单个量子计算机无法处理的计算问题，以及使用量子密码学建立牢不可破的加密通信。
量子网络在运行时，需要在两点之间传输信息，并且不改变被传输信息的量子属性。研究人员提出了这样一种模型：用单个原子或离子充当量子比特，以它的量子属性存储信息。而在读取、传输信息时，可用光脉冲激发量子比特发射出光子，光子经过量子纠缠效应向远处的量子比特传输信息。然而，模型的实践难度很高——研究人员难以找到可控、可测量、对退相干磁场或电场波动不敏感的原子。论文作者Jon Kindem说：“与光交互良好的固态发射器常常成为退相干作用的‘受害者’。从量子工程的角度说，它们不再以有用的方式存储信息。”与此同时，量子比特的重要候选——稀土元素原子与光的相互作用变得很弱。
为了攻克这一难点，加州理工学院应用物理与电气工程学教授Andrei Faraon带领的团队构建了一个特殊的纳米光腔。这是一个长度约10微米的光束，包含有周期性的纳米图案。Faraon等在光束中心发现了一个镱离子。光腔使光能够来回多次反射，直到最后被离子吸收。研究人员认为，光腔改变了离子所处的环境。当离子释放光子时，光子在腔内的时间超过99%。由此，研究人员就能有效地收集和检测光子，进而测定离子状态。最终，离子发射光子的速度加快了，整个系统的效率也提升了。
镱离子自旋态存储信息的时间长达30毫秒。虽然看上去很短，但对光来说，已经足够它穿越美国大陆。Faraon说：“镱离子吸收和发射光子的方式完全满足创建量子网络的需求。它可能会成为量子互联网的基石。”下一阶段，Faraon团队希望扩大实验规模，并尝试连接两个量子比特。
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编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：唐林芳
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200330152222.htm
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