使量子計算機運轉的物理學對擾動非常敏感。目前，這些計算機很難像傳統計算機那樣遠距離相互共享數據，在這種情況下，中間計算可能會從一臺服務器轉移到另一臺服務器。但為了推動量子分布式計算，科學家們開發了一種“量子中繼器（quantum repeater）”，可以幫助通過當今電信公司使用的光纖電纜連接此類計算機。一項新的研究發現，這將使量子計算機能夠在不需要衛星連接的情況下跨越數十公里，理論上可以跨越數百公里。

量子物理學使一種被稱為糾纏的奇怪現象成為可能。從本質上講，兩個或兩個以上的粒子（如光子）連接或“糾纏”在一起，理論上可以相互影響，無論它們相距多遠。糾纏對量子計算機的工作至關重要，量子計算機理論上可以解決傳統計算機無法解決的問題。

量子網絡可以連接量子計算機，也有助于實現受理論上防黑客量子加密保護的信息的量子通信。此外，它們可以幫助非常精確的量子傳感器以陣列的形式連接在一起，在許多應用中實現更高的精度，例如幫助探測隱藏的地下資源和采礦等。

“作為一名科學家，我個人更感興趣的是傳感應用，以及它們能為我們周圍的世界提供什么見解，”該研究的資深作者、奧地利因斯布魯克大學的量子物理學家Ben Lanyon說。

量子網絡項目的資金正在緩慢增長。例如，量子互聯網聯盟（Quantum Internet Alliance）于2022年啟動了一項為期七年的計劃，旨在在歐洲建立一個創新的量子互聯網生態系統，其第一階段的預算為2400萬歐元（約2600萬美元）。此外，2021年，美國能源部宣布將投入600萬美元開發用于發送和接收量子網絡流量的新設備，并進一步投入2500萬美元開發區域規模的量子網絡測試平臺。量子互聯網初創公司也在獲得資金，例如，紐約石溪大學的子公司Qunect在2022年籌集了850萬美元的a輪融資。

先前的研究表明，衛星可以幫助相距1000多公里的地面站之間傳輸量子信號。然而，科學家們也希望建立基于光纖的量子網絡，原因與絕大多數現代互聯網流量通過光纖而非衛星運行的原因相同。光纖支持更大的帶寬；體驗更少的延遲，因為它可以直接連接兩個點，而不需要信號從衛星上反彈；Lanyon解釋說，它不易受到來自陽光，天氣，或噪音的影響。

盡管如此，在長距離的情況下，光子在光纖中丟失的可能性越來越大。為了克服這個問題，科學家們試圖制造量子中繼器，這種設備可以作為發射器和接收器之間的中間中繼節點，幫助量子信號傳播。量子中繼器的第一個藍圖是25年前開發出來的。

此前，Lanyon和他的同事使用光纖幫助兩個離子在230米的距離內糾纏。現在，他們已經建造了一個量子中繼器，可以幫助量子信號穿越50公里。此外，這些發現表明，這些設備的鏈可以幫助量子信息傳播10倍以上的距離，這是現實世界中實際量子網絡所需的長度。

理想情況下，科學家們指出，量子中繼器應該具備三個關鍵能力。首先，他們應該使用標準的電信波長光子，與其他波長相比，這些光子在光纖中傳播的損失更小。其次，它們應該擁有量子存儲器，這種設備可以幫助中繼器存儲并中繼糾纏數據。第三，中繼器應該能夠以可預測的方式在網絡中的節點之間交換這些數據，而不是太容易受到偶然性的影響。

研究人員現在首次開發了一種量子中繼器，將所有這些功能整合在一個系統中。Lanyon說：“以前曾單獨展示過成熟的量子中繼器節點，但它們并沒有全部組合在一起。”

其中一個新的中繼器擁有一對在離子阱中捕獲的鈣離子，用作兩個量子存儲器。當被紫色激光脈沖照射時，它們各自發射一個與離子糾纏的光子。另一個設備將這些光子中的每一個轉換為1550納米電信波長的光。然后，一個光子被沿著25公里長的光纖線軸發送到一個節點，而另一個光子則被引導通過另一個線軸到達另一個節點。中繼器然后交換離子的糾纏數據，使光子及其節點在50公里的總距離內糾纏。

科學家們發現，中繼器可以幫助以每秒9.2的速度傳輸糾纏光子。相比之下，在實驗中，他們在沒有中繼器的情況下，將糾纏光子從一個點直接傳輸到另一個點，傳輸距離為50公里，其速率約為每秒6.7。盡管中繼器在50公里處可能只提供一個小優勢，但研究人員計算出，如果沒有中繼器，在100公里以上的距離處，傳輸速率會顯著下降。

此外，Lanyon和他的同事計算出，只要稍作調整，在一個鏈中使用17個這種中繼器的副本，就可以在800公里的距離上傳輸糾纏光子，盡管傳輸速率下降了十倍。

Lanyon指出，盡管捕獲的離子對當今光和物質的量子態提供了最精確的控制，但離子陷阱目前“相當大且笨重”。他說：“其他人研究了基于固態系統的量子中繼器，如氮空位中心微觀人造鉆石，其中碳原子被氮原子取代，相鄰的碳原子缺失?！?/p>

然而，盡管固態量子中繼器可能被證明更精簡和可擴展，但Lanyon說，目前“固態系統實現的量子控制水平還不在離子水平。然而，盡管固態量子中繼器可能被證明更精簡和可擴展，但Lanyon說，目前“固態系統實現的量子控制水平還不在離子水平”。

未來，除了建立中繼器鏈外，科學家們還想進行并行發送大量光子的實驗。Lanyon說：“這種‘多?！孔泳W絡是未來可加速的地方。”

科學家們在5月22日的《物理評論快報》雜志上詳細介紹了他們的發現。