研究人员建立了第一个基于纠缠的量子网络

来自荷兰QuTech的一个研究小组报告说，第一个多节点量子网络实现了，这个量子网络连接了三个量子处理器。此外，他们还实现了关键量子网络协议的原则证明。他们的发现是未来量子互联网的一个重要里程碑，现已发表在《科学》杂志上。

互联网的力量在于它可以连接地球上的任何两台计算机。如今，世界各地许多实验室的研究人员都在努力开发第一版量子互联网，该网络可以在很长的距离上连接任意两个量子设备，例如量子计算机或传感器。当今的互联网以0或1的比特分配信息，而未来的量子互联网将同时使用0和1的量子比特。

研究人员在量子网络节点之一上工作，在该节点上，反射镜和滤光片将激光束引导至钻石芯片。

研究小组成员博士生马特奥·蓬皮利（Matteo Pompili）说："量子互联网将开辟一系列新颖的应用，从无法破 解的通信和具有完全用户隐私的云计算到高精度的计时功能，"。"就像40年前的互联网一样，现在可能有很多我们无法预见的应用。”

走向无处不在的连接

在过去的十年中，通过将两个共享直接物理链接的量子设备链接在一起，迈出了向量子互联网迈出的第一步。但是，能够通过中间节点（类似于经典Internet中的路由器）传递量子信息对于创建可扩展的量子网络至关重要。此外，许多有前途的量子互联网应用都依赖于分布在多个节点之间的纠缠量子比特。纠缠是在量子尺度上观察到的现象，从根本上连接了小距离甚至远距离的粒子。它为量子计算机提供了巨大的计算能力，它是在未来的量子互联网上共享量子信息的基本资源。通过在实验室中实现量子网络，QuTech的一个研究小组——由代尔夫特理工大学和TNO合作——率先通过中间节点连接了两个量子处理器，并在多个独立的量子处理器之间建立了共享纠缠。

操作量子网络

原始的量子网络由三个量子节点组成，它们在同一建筑物内相距一定距离。为了使这些节点能够作为一个真正的网络运行，研究人员不得不发明一种新颖的架构，该架构能够扩展到单个链接之外。

中间节点（称为Bob）与两个外部节点（称为Alice和Charlie）都有物理连接，从而允许与这些节点中的每一个建立纠缠链接。Bob配备了一个额外的量子比特，可以用作存储器，从而可以在建立新链接时存储先前生成的量子链接。建立了量子链接Alice-Bob和Bob-Charlie之后，Bob的一组量子运算将这些链接转换为量子链接Alice-Charlie；或者，通过在Bob处执行一组不同的量子运算，可以建立所有三个节点之间的纠缠。

以后备用

网络的一个重要特征是它通过“标志”信号宣布成功完成了这些（本质上是概率性的）协议。这种预示对于可扩展性至关重要，因为在未来的量子互联网中，许多这样的协议都需要串联起来。 “一旦建立，我们就能保留由此产生的纠缠状态，保护它们免受噪音干扰。” 团队的另一位成员索菲·赫尔曼斯（Sophie Hermans）表示，“这意味着，原则上，我们可以将这些状态用于量子密钥分配，量子计算或任何其他后续的量子协议。

合著者马特奥·蓬皮利（Matteo Pompili）（左）和索菲·赫曼斯（Sophie Hermans）（右），都是罗纳德·汉森（Ronald Hanson）小组的博士研究生，站在一个量子网络节点旁。

量子互联网演示者

这是第一个基于纠缠的量子网络，为研究人员提供了开发和测试量子互联网硬件、软件和协议的独特测试平台。 “未来的量子互联网将由无数的量子设备和中间节点组成，”领导该研究团队的罗纳德·汉森（Ronald Hanson）说， “ QuTech的同事已经在研究与现有数据基础架构的未来兼容性。”在适当的时候，将在QuTech的量子互联网演示器上使用现有的电信光纤在实验室外对当前的原理验证方法进行测试，其第一条城域链路计划于2022年完成。

更高层次

在实验室中，研究人员将致力于将更多的量子比特添加到其三节点网络中，并致力于添加更高级别的软件和硬件层。 蓬皮利说：“一旦开发了用于运行网络的所有高级控制和接口层，任何人都将能够编写和运行网络应用程序，而无需了解激光器和低温恒温器的工作原理，这就是最终目标。”

相关链接：https://phys.org/news/2021-04-entanglement-based-quantum-network.html