来自巴黎索邦大学的研究人员已经实现了量子纠缠在两个量子存储设备中的高效传输和输出。这一成果为未来量子互联网实现可扩展性的关键。
量子互联网联盟是欧盟量子旗舰计划第一阶段的一部分。资料来源：QuTech-Delft
连接多地的量子互联网是全球量子技术路线图的关键一步。在此背景下，欧洲量子旗舰计划于2018年发起了量子互联网联盟QIA(Quantum Internet Alliance)。这个由Stephanie Wehner（QuTech-Delft）协调的联盟由来自欧洲8个国家大学的12个领先研究小组组成，并与20多家公司和机构密切合作。他们结合自己的资源和专业领域，制定了未来量子互联网的蓝图和所需技术。
什么是量子互联网？
量子互联网利用一种有趣的量子现象将网络中的不同节点连接在一起。在普通的网络连接中，节点通过来回发送电子或光子来交换信息，因此容易被窃听。在量子网络中，节点之间通过纠缠连接，也就是爱因斯坦著名的 "鬼魅般的超距作用"。这些大距离的非经典关联不仅可以实现超越直接传输的安全通信，还可以实现分布式量子计算或增强传感。
量子互联网的难点
然而，构建大规模量子网络的一个主要挑战是在遥远的节点之间产生这种相关性的能力。原则上，如果将纠缠可靠地存储在量子存储设备中，这一挑战是可以克服的。通过将长距离分割成若干较短的段，可以在这些基本链路的两端之间产生纠缠，然后将它们连接起来，直到两个初始节点都被纠缠。量子存储设备将纠缠存储起来，确保在执行连接之前已经在所有段上创建了纠缠。这种协议被称为量子中继。
一个关键的参数是量子存储器件的效率。如果一个设备在记录或检索纠缠光方面出现故障，量子中继器就无法正常工作。例如，存储和检索效率从60%提高到90%，就会大幅缩短600公里距离内纠缠分布的平均时间，通常缩短两个数量级。QIA联盟的目标之一就是利用不同的物理平台构建高效的纠缠存储设备，为量子中继器技术奠定基础。
量子存储的巨大突破
一个3厘米长的铯原子的集合体在玻璃室中被激光冷却，被用作量子存储器。资料来源：LKB
在2020年10月的《Optica》在线版上，Julien Laurat教授和他的Kastler Brossel实验室（索邦大学，CNRS，ENS-Université PSL，Collège de France）的团队报告了这一努力期待已久的一步。他们已经证明了将纠缠光束存储和检索到两个量子存储装置中，总体效率高达85%。这个数值相对于该领域之前的工作增加了三倍以上。
"LKB的博士生、论文的主要作者之一Félix Hoffet说：“这一成就是我们实验室10年实验发展的结果。现在，它为进一步研究开辟了道路，因为许多潜在的网络架构承担了这样的效率值，以实现可扩展性。”
巴黎实验涉及到一个非常细长的激光冷却铯原子的集合体，并基于称为电磁诱导透明的协议。一束控制激光使介质透明，并减缓携带信息的撞击信号光。当信号包含在集合体内，控制光束被关闭时，信息就会转化为原子的集体激发，并被储存起来，直到控制光束再次被打开。劳拉特的团队首先生成了两束纠缠在一起的光束，然后按照这个协议将它们映射到两个存储器中。通过使用特定的原子转换，并在每个存储器中达到非常大的吸收，研究人员能够以前所未有的效率写出和读出纠缠，同时保留了非常低的噪声污染。
前玛丽-居里博士后研究员、论文的另一位主要作者曹明涛补充说：“我们创纪录的效率首先需要在理论上做出强大的努力，以更好地理解我们之前实施中的限制因素，然后再通过实验上的努力，将所有需要的成分结合在一起。"
Optica中报告的工作是进一步调查的踏脚石。然而，构建大规模网络的道路上仍然铺满了挑战。例如，高效的量子存储器设备还需要有较长的存储时间，以便在失去纠缠之前更快地产生纠缠。这一关键特性还可以附带并行存储不同信息的能力。QIA联盟正在从理论和实验上解决这些不同方面的问题。例如，Laurat教授在巴黎的团队正专注于 "空间多路复用 "存储器的开发，这种存储器可以同时存储多个状态，以实现量子连接的并行化。
（本文源于phys.org）
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