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加州理工學(xué)院的工程師研究發(fā)現(xiàn)，光腔中的原子可能是創(chuàng)建量子互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。他們的研究成果于3月30日發(fā)表在《Nature》雜志上。

量子網(wǎng)絡(luò)通過(guò)以量子級(jí)別而不是經(jīng)典級(jí)別運(yùn)行的系統(tǒng)連接量子計(jì)算機(jī)。從理論上講，通過(guò)利用量子力學(xué)的特殊特性（包括疊加），量子計(jì)算機(jī)有一天將能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行某些功能，這使得量子位可以同時(shí)將信息存儲(chǔ)為1和0。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣，工程師希望能夠連接多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)以共享數(shù)據(jù)并一起工作，創(chuàng)建“量子互聯(lián)網(wǎng)”。這將打開(kāi)多個(gè)應(yīng)用程序的大門(mén)，包括解決太大而無(wú)法由單個(gè)量子計(jì)算機(jī)處理的計(jì)算，以及使用量子密碼建立的安全通信。

為了正常運(yùn)行，量子網(wǎng)絡(luò)需要能夠在兩點(diǎn)之間傳輸信息，而不會(huì)改變傳輸信息的量子特性。當(dāng)前的一種模型是這樣工作的：?jiǎn)蝹€(gè)原子或離子充當(dāng)量子位，通過(guò)一個(gè)量子位來(lái)存儲(chǔ)信息（如果它具有諸如自旋之類(lèi)的量子特性）。為了讀取該信息并將其傳輸?shù)狡渌胤?，原子被光脈沖激發(fā)，使其發(fā)出光子，該光子的自旋與原子的自旋糾纏在一起。然后，光子可以通過(guò)光纖電纜遠(yuǎn)距離傳輸與原子糾纏的信息。

但要在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)以上過(guò)程是比較困難的。關(guān)鍵在于尋找可以控制和測(cè)量的原子，并且要求該原子對(duì)引起誤差或退相干的磁場(chǎng)或電場(chǎng)波動(dòng)不太敏感，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。

論文的第一作者喬恩·金德姆（Jon Kindem ）說(shuō)：“與光有很好相互作用的固態(tài)發(fā)射體往往成為退相干的犧牲品；也就是說(shuō)，它們停止以量子工程前景中有用的方式存儲(chǔ)信息同時(shí)，稀土元素的原子（具有使元素可用作量子位的特性）往往與光的相互作用較弱?！?/p>

為了解決這一難題，由加州理工學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)和電氣工程學(xué)教授安德烈·法拉翁（Andrei Faraon）領(lǐng)導(dǎo)的研究人員構(gòu)建了一個(gè)納米光子腔，該腔的長(zhǎng)度約為10微米，具有周期性的納米圖案，由一塊水晶雕刻而成。然后，他們?cè)诠馐?a target="_blank">中心發(fā)現(xiàn)了稀土鐿離子。光學(xué)腔使他們可以多次在光束之間來(lái)回反射光，直到最終被離子吸收為止。

在《Nature》雜志上，研究小組表明，腔改變了離子的環(huán)境，因此，每當(dāng)離子發(fā)射光子時(shí)，光子保留在腔中的時(shí)間就超過(guò)了99％，科學(xué)家可以在那里有效地收集和檢測(cè)該光子，從而測(cè)量離子的狀態(tài)。這導(dǎo)致離子發(fā)射光子的速率增加，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。

另外，鐿離子能夠自旋地存儲(chǔ)信息30毫秒。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，光傳輸信息的距離很遠(yuǎn)，甚至可以穿越美洲大陸。應(yīng)用物理學(xué)和電氣工程學(xué)教授法勞恩說(shuō)：“這是一種稀土離子，它吸收和發(fā)射光子的方式與我們創(chuàng)建量子網(wǎng)絡(luò)所需的方式完全相同。這可以形成量子互聯(lián)網(wǎng)的骨干技術(shù)?！?/p>

目前，該團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)是創(chuàng)建量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建塊。接下來(lái)，他們希望擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，并實(shí)際連接兩個(gè)量子位，F(xiàn)araon說(shuō)。
（責(zé)任編輯：fqj）