艺术家对所演示的量子网络连接之间的连接（纠缠）的印象。两位作者，Kian van de Ende和Arian Stolk，代表了走廊两端的量子计算机，同时也是中心节点。图片来源：QuTech 的 Studio Oostrum
由 QuTech 领导的一个国际研究团队证明了量子处理器之间在大都市距离上的网络连接。他们的结果标志着实验室早期研究网络向未来量子互联网迈出了关键一步。该团队开发了完全独立的操作节点，并将其与部署的光纤互联网光纤集成，实现了 25 公里的量子链路。研究人员的研究结果发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。
互联网允许人们在全球范围内共享信息 （bit）。未来的量子互联网将支持通过新型网络共享量子信息 （qubits）。此类量子比特不仅可以采用值 0 或 1，还可以叠加这些值（同时是 0 和 1）。此外，量子比特可以纠缠在一起，这意味着它们共享量子连接，无论距离多远，都可以实现即时关联。
全球的研究人员正在努力构建量子网络，利用这些功能提供全新的通信和计算能力，与当前的互联网共存。例如，量子比特可以生成安全的加密密钥，用于安全地共享财务或医疗数据。量子链路还可以连接遥远的量子计算机，增强其功能，并允许用户以完全隐私的方式进行访问。
走出实验室由 QuTech 的 Ronald Hanson 领导的国际团队（代尔夫特理工大学和 TNO 之间的合作）能够在荷兰城市代尔夫特和海牙之间连接两台小型量子计算机。
“我们在这个项目中通过 25 公里部署的地下光纤创建量子纠缠的距离是量子处理器的记录，”Hanson 说。“这是不同城市的此类量子处理器首次连接。”
几年前，该团队报告了实验室内的第一个多节点量子网络。
“从这些实验室实验到实现城市之间的量子连接，我们面临着新的重大挑战。我们必须设计一个灵活的系统，让节点在长距离上独立工作，我们需要减轻光子损失对连接速度的影响，并且我们必须确保每次成功创建纠缠链接时都能进行可靠的确认。如果没有这些创新，就不可能有这么长的距离，“Hanson 解释道。
“就像让月亮保持恒定的距离”为了应对光子损失的挑战，该团队使用光子高效协议建立了量子连接，该协议需要非常精确地稳定连接的光纤链路。
合著者 Arian Stolk 用一个类比解释说：“链路需要在 25 公里光纤上的光子波长（小于微米）内保持稳定。与保持地球和月球之间的距离恒定而精度仅为几毫米相比，这一挑战就好比不变了。通过研究洞察和应用工程的结合，我们能够解决这个难题。
“在这项工作中，我们展示了两个包含钻石自旋量子比特的量子网络节点之间的成功纠缠。独立运行的节点通过光纤通过中点站连接。我们能够在节点之间可靠地提供预先指定的纠缠状态。
合著者 Kian van der Enden 解释了团队广泛的专业知识对项目的成功是多么不可或缺，“Fraunhofer ILT 为这次演示开发了一个关键组件，一种新型量子变频器。OPNT 提供了最先进的计时硬件，Element Six 提供了其工程合成金刚石材料，Toptica 开发了高稳定性激光器。最后，荷兰电信提供商 KPN 提供了光纤基础设施以及海牙的节点位置、中点和节点。
欧洲量子互联网的坚实基础这一结果是一个重要的里程碑，解决了未来量子网络的关键扩展挑战。共同资助这项研究的Quantum Delta NL的工业和数字基础设施总监Jesse Robbers补充说：“我们继续在发展我们的数字基础设施的未来基础以及如何使其适用方面表现出领导能力，这是国家和欧洲战略的核心。
这些架构和方法直接适用于其他量子比特平台，包括该团队目前正在开发的下一代可扩展量子比特。成功使用已部署的传统互联网基础设施为迈向量子互联网之路的新阶段奠定了基础。
Hanson 说：“这项工作标志着从研究实验室进入该领域的关键一步，使探索大都市规模的第一个量子处理器网络成为可能。
更多信息：Adriaan Stolk 等人，大都会尺度预示着固态量子比特的纠缠，Science Advances （2024）。DOI：10.1126/sciadv.adp6442。www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp6442
期刊信息： Science Advances
