新突破！科学家发现量子中继器构建新方法，提升远程量子计算机连接性

研究人员找到了一种长距离连接量子设备的新方法，该技术将在未来通信系统中发挥重要作用。

虽然当今的经典数据信号可以在城市或海洋中放大，但量子信号却不能。量子信号必须由称为量子中继器的专门机器停止、复制和传递。

专家认为，量子中继器将在未来的通信网络中发挥关键作用，从而增强安全性并实现远程量子计算机之间的连接。该研究实现了优化量子中继器，从而提升了量子计算机之间的连接性能。

普林斯顿大学的这项研究于8月30日发表在《自然》杂志上，详细介绍了构建量子中继器的新方法。这项研究的主要作者Jeff Thompson表示，这项工作已经进行了多年，结合了光子设计和材料科学的进步。

其他领先的量子中继器发射的可见光谱中的光会在光纤上会迅速降解，导致信号衰减，并且必须在长距离传输之前进行转换。新设备基于掺杂少量铒离子的钨酸钙晶体，能以理想的红外波长发射光，降低量子信号的衰减速度，且不需要这种信号转换，这可以导致更简单、更稳健的网络。

Jeff Thompson说，理想情况下，该光子将用来自离子的信息进行编码。或者更具体地说，来自称为自旋的离子的量子特性。在量子中继器中，收集和干扰来自遥远节点的信号会在它们的自旋之间产生纠缠，从而允许量子态的端到端传输，尽管沿途会有损失。

光纤通信系统要求具有高质量、高稳定度、长距离、低损耗的激光输出，而铒离子能够满足这些要求，因此是当前应用最广泛的光纤通讯材料。

研究团队几年前首次开始研究铒离子，但第一个版本使用了不同的晶体，这些晶体含有太多噪音。这种噪声导致发射光子的频率在称为光谱扩散的过程中随机跳跃，阻止了运行量子网络所需的微妙的量子干涉。为了解决这个问题，他的实验室开始与电气和计算机工程副教授Nathalie de Leon以及领先的固态材料科学家、普林斯顿大学Russell Wellman Moore化学教授Robert Cava合作，探索可以容纳噪声小得多的单个铒离子的新材料。

他们将候选材料清单从几十万份筛选到几百份，然后是几十份，然后是三份。三名决赛入围者均花费了半年的时间进行测试。第一份材料结果不够清晰，第二种材料导致铒的量子特性较差。但第三种，钨酸钙，恰到好处。

该团队最终证明了新材料中的铒离子发射出无法区分的光子，因此有望用于量子中继器。根据共同领导这项研究的研究生Salim Ourari的说法，这使信号远高于高保真阈值。

虽然这项工作跨越了一个重要的阈值，但还需要额外的工作来改善铒离子自旋中量子态的存储时间。该团队目前正在致力于制造更精炼的钨酸钙，以减少干扰量子自旋态的杂质，从而减少杂质对量子通讯信号产生的负面影响。