实施量子互联网的新方法

慕尼黑工业大学的研究人员正在研究一种网络，可以将量子计算机长距离连接起来。量子互联网需要克服损耗问题，使用量子中继器解决。目前，研究人员正在研究在硅晶体中捕获原子的方法，使用铒原子产生适合传输量子信息的光子。这种方法需要的技术简单得多，可以在单个硅芯片上构建大量的结构。尽管量子互联网仍处于早期阶段，但研究人员相信它将有许多应用，今天甚至没有人想到。

世界各地的研究人员正在研究一种网络，可以将量子计算机长距离连接起来。慕尼黑工业大学（TUM）量子网络教授Andreas Reiserer解释了必须克服的挑战以及晶体中捕获的原子如何提供帮助。

这个想法是一样的：我们使用今天的互联网将计算机相互连接，而量子互联网则让量子计算机相互通信。但从技术上讲，量子互联网要复杂得多。这就是为什么到目前为止只有更小的网络被实现的原因。

主要有两个应用：首先，联网量子计算机可以提高其计算能力;其次，量子网络将使绝对防拦截的通信加密成为可能。但也有其他应用，例如将望远镜联网以达到以前不可能的分辨率，以便观察宇宙深处，或者可以非常精确地同步世界各地的原子钟，从而有可能研究全新的物理问题。

在大多数情况下，与经典互联网完全相同的方式：使用光子。这些光子通过光缆传输。在经典的互联网中，使用了非常强的信号，即由数十亿个光子组成的光脉冲。在这里，信息使用二进制代码传输：亮灯或灯灭，类似于摩尔斯电码。

然而，量子互联网是不同的：它仍然使用二进制代码，但信息不是由具有许多光子的光脉冲携带的，而是由单个光子携带的。这使得传输承载大量信息的量子力学状态成为可能。

光子在通过光缆的途中丢失。在正常的网络中，可以使用中继器轻松放大信号，中继器会向光脉冲添加更多光子。但是在量子互联网中，如果一个光子丢失，所有传输的信息都会被无可挽回地破坏。这种损失是构建功能网络时最大的问题。它可以使用量子中继器来解决，我的团队目前正在研究。

短距离传输已经非常有效。但是，随着距离的增加，损耗呈指数级增长。为了构建量子中继器，我们将总距离分成许多小的子段。缓冲区，实际上是小型量子计算机，在每个子段之后存储量子态，直到光子被传输到下一个子段。

然后，所谓的量子隐形传态可用于随后将信息“转发”到传输的光子。要做到这一点，就需要高效的小型量子计算机，我们正在开发中。

迄今为止研究的最好的系统使用单个原子，这些原子在真空中被激光捕获并冷却到非常低的温度。然而，这种方法需要整个实验室充满光学元件，这使得这种方法难以在小范围内实施。

取而代之的是，我们使用硅晶体，其中单个原子已入，你可以说被困在晶体中。在这些条件下，我们使用的铒原子保持其量子力学性质。这种结构也需要低温，但从技术上讲要简单得多。

我们已经能够证明这个系统在原理上是有效的，并且铒原子在被激发时会产生适合传输量子信息的光子。这里的一个主要优势是，我们可以在单个硅芯片上构建数千甚至数百万个这样的结构。

中继器中需要缓冲意味着将信息从一个地方传输到另一个地方需要很长时间。为了实现更快的速度，我们使用所谓的多路复用。这意味着该过程将尽可能多地并行执行。我们的技术使这成为可能，我们已经在努力实现。

情况可能与经典互联网相似：起初几乎没有人能想象到今天每个人都会口袋里装着互联网四处走动，使用卫星来确定我们的位置并使用互联网导航。就量子互联网而言，我们仍处于非常早期的阶段。

我们目前的研究仍然是关于基本面的，着眼于以下问题：我们能连接这些系统吗？我们能否成功地将量子态传播到全世界？我们今天所知道的这种系统的潜力对于某些领域来说已经是革命性的，我相信会有很多应用，今天甚至没有人想到。