荷兰QuTech研究人员创建了世界上第一个多节点量子网络

荷兰 QuTech 研究中心的研究人员创建了世界上第一个多节点量子网络，于4月16日在《科学》杂志上发表了他们的成果，使人类距离量子互联网更近了一步。

在量子计算机网络中进行计算的两个以上的量子比特被链接在一起成为节点，该系统由三个量子节点组成。量子网络能够运行现有传统设备无法执行的大量计算应用程序，例如更快地计算、改进加密技术、创建无法入侵的网络等。

传统计算机中的“位”是数字信息的基本单位，而量子位则是量子信息的基本单位，可以是1或0，表示两个状态、系统中的两个可能位置。

得益于量子世界的奇异定律，量子位可以以1和0的叠加形式存在，直到被测量的那一刻，量子位将随机塌陷为1或0。它允许一个量子位同时执行多个计算，是量子计算强大能力的关键。

将量子位链接到一个量子网络中，最大的挑战是建立和维持一个称为“纠缠”的过程。当两个量子位耦合的时候、它们的性质相互关联，即使彼此相隔很远，一个粒子的任何变化也会引起另一个粒子同样的变化。这使得科学家可以通过改变纠缠伙伴的状态、从而有效地传送信息。

可以通过多种方式纠缠量子节点，一种常用的方法是先将静止的量子比特与光粒子纠缠在一起，然后相互发射光子。当它们相遇时，两个光子发生纠缠，从而纠缠了量子位。但是，保持纠缠状态是一项艰巨的任务，因为纠缠的系统会有干扰外界的风险，并且会被称为“不相干性”的现象所破坏。

这意味着必须将量子节点保持在极低温度下，在称为低温恒温器的设备内，最大程度地降低量子位干扰外界的可能性。其次，纠缠中使用的光子在被吸收或散射之前无法传播很长的距离，从而破坏了在两个节点之间发送的信号。

根据物理学中的“非克隆定理”，复制量子比特是不可能的，因为复制的前提是测量，而测量一般会改变该量子的状态。这限制了可以发送量子信号的距离，如果想建立量子通信，则需要建立中继节点。

为了解决该问题，该团队创建了一个具有三个节点的网络，其中光子实质上将纠缠从外部节点之一的量子位“传递”到中间节点的一个量子位。中间节点有两个量子位-一个用于获取纠缠状态，另一个用于存储纠缠状态。一旦存储了一个外部节点与中间节点之间的纠缠，则中间节点将其备用量子位与另一个外部节点纠缠在一起。完成所有这些操作后，中间节点将其两个量子位纠缠在一起，从而导致外部节点的量子位被纠缠。

为了使纠缠的光子以正确的方式发射到节点上，研究人员不得不使用复杂的反射镜和激光系统，每个节点使用了三到四个激光器，真正困难的部分是确保所有激光器都完全同步。

研究人员的下一步工作将是尝试进行信息传递，同时改善网络计算能力的基本组成部分，以便可以像常规计算机网络一样工作。目前，所有节点之间的距离都在10至20米之间，将要测试在10公里的距离上建立纠缠。

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