研究人員公佈了一種遠距離連接量子設備的新方法，這是讓量子技術在未來通信系統中發揮作用的必要一步。當今的經典數據信號可以在城市或海洋中放大，而量子信號卻不能。它們必須被間隔重複，即被稱為量子中繼器的專門機器停止、複製和傳遞。

許多專家認為，這些量子中繼器將在未來的通信網絡中發揮關鍵作用，可以增強安全性，並實現遠程量子計算機之間的連接。

今天（8 月30 日）發表在《自然》（Nature）雜誌上的普林斯頓大學研究報告，詳細介紹了一種構建量子中繼器新方法的基礎。它能發送由植入晶體中的單個離子發出的可用於電信的光。該研究的主要作者傑夫-湯普森（Jeff Thompson）表示，這項工作已經進行了多年。這項工作結合了光子設計和材料科學的進步。

其他領先的量子中繼器設計發射的是可見光譜光，這種光在光纖中衰減很快，必須經過轉換才能進行長距離傳輸。這種新設備基於植入主晶體中的單個稀土離子。由於這種離子以理想的紅外波長發光，因此不需要這種信號轉換，從而可以實現更簡單、更強大的網絡。

普林斯頓大學的研究人員創造了一種新方法，利用電信波段波長的光將量子計算機與高保真信號連接起來。圖片來源：Sameer A. Khan/Fotobuddy 拍攝

該設備由兩部分組成：摻雜少量鉺離子的鎢酸鈣晶體和蝕刻成J 形通道的納米矽片。在特殊激光的脈衝作用下，離子通過晶體向上發光。但矽片–貼在晶體頂部的半導體–會捕捉並引導單個光子進入光纜。理想情況下，這種光子將被編碼為來自離子的信息。更具體地說，信息來自離子的量子特性–自旋。在量子中繼器中，收集和乾擾來自遙遠節點的信號將在它們的自旋之間產生糾纏，從而實現量子態的端到端傳輸，儘管途中會有損耗。

湯普森的團隊在幾年前就開始使用鉺離子，但最初的版本使用的是不同的晶體，存在太多噪音。特別是，這種噪聲導致發射光子的頻率在一個稱為光譜擴散的過程中隨機跳動。這阻礙了微妙的量子乾涉，而量子乾涉正是量子網絡運行所必需的。為了解決這個問題，他的實驗室開始與電氣與計算機工程系副教授Nathalie de Leon 和著名固態材料科學家、普林斯頓大學羅素-韋爾曼-摩爾化學教授Robert Cava 合作，探索能容納噪音更小的單個鉺離子的新材料。

他們將候選材料從數十萬種篩選到幾百種，然後是幾十種，最後是三種。最終入圍的三種材料，每一種都花了半年時間進行測試。第一種材料被證明不夠清晰。第二種材料導致鉺的量子特性不佳。但第三種材料，即鎢酸鈣，卻恰到好處。

為了證明這種新材料適用於量子網絡，研究人員製造了一個乾涉儀，光子隨機通過兩條路徑中的一條：一條是幾英尺長的短路徑，另一條是22 英里長的長路徑（由捲軸式光纖製成）。離子發出的光子可以走長路徑，也可以走短路徑，大約有一半的時間，連續的光子會走相反的路徑，並同時到達輸出端。

當這種碰撞發生時，量子乾涉會導致光子成對離開輸出端，前提是它們從根本上無法區分–具有相同的形狀和頻率。否則，它們將各自離開干涉儀。通過觀察到干涉儀輸出端對單個光子的強烈抑制（高達80%），研究小組確鑿地證明了新材料中的鉺離子會發出不可區分的光子。共同領導這項研究的研究生薩利姆-烏拉里（Salim Ourari）認為，這使得信號遠遠超過了高保真閾值。

雖然這項工作跨越了一個重要的閾值，但還需要做更多的工作來提高鉺離子自旋中量子態的存儲時間。研究小組目前正致力於製造更精製的鎢酸鈣，減少干擾量子自旋態的雜質。