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中国、欧洲和美国的团队独立开发了三种新协议，用于在网络中的两个节点之间生成可验证的量子纠缠。 这项研究允许遥远的量子存储器交易所量子信息，可能是迈向量子版互联网的一步，其中沿着标准光纤传播的光子被用来纠缠空间上分离的量子计算机。
量子信息的脆弱性意味着它不能很好地传播。 因此，量子互联网需要称为量子中继器的设备来在中间点交易所量子位或量子位之间的纠缠。 一些研究人员已经采取措施通过在多个节点之间分配纠缠来实现这一目标。
例如，2020 年，中国科学技术大学 (USTC) 的包晓辉 (Xiao-Hui Bao) 和潘建伟 (Jian-Wei Pan) 团队的同事使用经过 50 公里长的光子，在蒸气室中纠缠了两个铷 87 Atom系。商用光纤。 然而，创建一个功能性量子中继器更为复杂：“许多讨论超过 50、100 或 200 公里分布的作品只是讨论发送纠缠光子，而不是与另一侧的完全量子网络连接， ”哈佛大学博士生、美国团队成员 Can Knaut 解释道。
激发态Atom
在与哈佛团队一起发表在《自然》杂志上的最新研究中，包和同事提出了一个更实用的系统。 在每个节点，他们都使用一种称为 Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) 协议的方案，该方案涉及将激光脉冲注入每个Atom系综中。 鲍解释说，这种“写入”脉冲由许多光子组成，它有很小的机会将一个Atom激发到另一种状态。 然后，激发的Atom自发地发射光子，在此过程中与Atom系综的集体状态纠缠在一起。 然后发射的光子被发送到中心节点，在那里进行测量，使两个系综纠缠在一起。
问题是 DLCZ 协议要求每个节点的写入脉冲相位相干，这在空间分离的节点中很难实现。 在 2020 年的工作中，中国科学技术大学的研究人员通过分束器从同一激光器发送脉冲来实现这一点，但这对于现实世界的网络来说是不切实际的。 在新的工作中，他们稳定了中心节点周围相距约 12.5 公里的三个位置的独立激光器的相位，并证明它们可以在所有这些位置上纠缠系综。 “通过使用Atom系综，从Atom量子位转换为单光子是相当容易的，”鲍指出。
钻石回忆
另外两个团队使用由钻石空位中心制成的固态量子存储器。 第一个由荷兰 QuTech 的 Ronald Hanson 领导，将量子位的状态存储在氮空位中心的电子状态中，如最近的 arXiv 预印本中所述。 第二个项目由哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）领导，使用硅胶空缺中心。 它们比氮对应物具有更稳定和相干的光学跃迁，但它们的电子自旋不太稳定，在大约 200 μs 内失去相干性。
如此短的相干时间是有问题的，因为纠缠不能用于传输信息，除非纠缠态保持足够长的相干时间以“预示”纠缠——也就是说，信息沿着经典通道传播并确认纠缠操作的成功：“如果你不能将纠缠存储超过几百微秒，那么它基本上毫无用处，因为当你想要开始使用它时，它已经消失了，”克瑙特说。
哈佛团队使用一种名为光子核纠缠 (PHONE) 门的东西规避了这个问题，该门是 Lukin 小组成员于 2022 年发明的。核自旋，而且核自旋的寿命非常长，”卢金说。
卢金和同事还避免了在中心节点测量光子的需要。 相反，他们使用了串行纠缠协议。 “当光子到达第一个节点时，它会发生纠缠——基本上是在光子和存储器中的一个量子位之间进行门操作，”卢金解释道。 “然后光子到达另一个节点，你在光子和内存之间做另一个逻辑门，然后最终你测量一个光子。 它就像一台分布式量子计算机。”
该方案的灵活性使他们能够避免跟踪直接从空位发射的光子的相位。 相反，他们将量子位的状态编码为两个“时间段”——电磁场中的峰值间隔 142 纳秒：“从概念上讲，它是一个光子，但它是两个时间段的叠加，”Knaut 说。
电信进展
美国杜克大学的克里斯·门罗（Chris Monroe）没有参与任何一项工作，他发现其中的一个方面很有趣：“量子系统非常具有辨别力：它们使用非常特定的光颜色，并且通常不会电信 [wavelengths]，“ 他说。 “这些群体中的每一个都将原生光子转换为电信光子，这使得它们能够传播很长的距离。”
然而除此之外，他还持怀疑态度。 “‘量子互联网’这两个流行词并没有多大意义，”他说。 “要建造一台大型计算机，你需要一个量子网络，但它可以在一个芯片上……我们将使用光子来扩大规模，就这样。 从某种意义上说，最近的这项工作与这种追求有点无关。”
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