该设备可以快速启动量子互联网的工作

显微镜下拍摄的一种设备，可以快速启动量子互联网的工作。水平线是钻石波导，每条都比人类头发小1000倍。来源:剑桥大学atat re实验室

在一项研究中，麻省理工学院和剑桥大学的研究人员已经建造并测试了一个非常小的设备，可以让量子信息在远距离上快速、有效地流动。该装置的关键是一个由钻石制成的“微晶片”，其中一些钻石的碳原子被锡原子取代。该团队的实验表明，该装置由光波导组成，用于携带量子信息，解决了一个阻碍大型可扩展量子网络到来的悖论。以量子比特或量子位形式存在的量子信息很容易被环境噪声(如磁场)破坏，从而破坏信息。因此，一方面，我们希望量子比特不会与环境产生强烈的相互作用。然而，另一方面，这些量子比特需要与光或光子强烈相互作用，光子是远距离携带信息的关键。麻省理工学院和剑桥大学的研究人员通过协整两种不同的量子比特来存储和传输信息。此外，该团队报告了信息传输的高效率。

“这是关键的一步，因为它证明了在微芯片中集成电子和核量子比特的可行性。这种集成解决了在保持与光子强相互作用的同时长距离保存量子信息的需求。这是通过剑桥大学和麻省理工学院团队的优势结合而成为可能的，”麻省理工学院电子工程与计算机科学系(EECS)副教授、麻省理工学院团队负责人德克英格伦德说。Englund也隶属于麻省理工学院材料研究实验室。

剑桥团队的负责人Mete atatat教授说:“这些结果是两个研究团队多年来紧密合作的结果。很高兴看到理论预测、器件制造和新型量子光学控制的实现在一个工作中结合在一起。"

该研究发表在Nature Photonics上。

在量子尺度上工作

计算机位可以被认为是具有两种不同物理状态的任何东西，例如“开”和“关”，以表示0和1。在量子力学这个奇怪的超小世界里，一个量子位“具有额外的性质，它不只是处于这两种状态中的一种，它可以处于这两种状态的叠加态。”所以它可以同时出现在这两个州，”Martínez说。多个纠缠或相互关联的量子比特可以共享比传统计算相关的比特更多的信息。因此量子计算机的潜在力量。

量子位有很多种，但两种常见的类型是基于自旋，或电子或原子核的旋转(从左到右，或从右到左)。这种新装置既包括电子量子比特，也包括核量子比特。一个旋转的电子，或电子量子位，非常擅长与环境相互作用，而一个原子的旋转的原子核，或核量子位，则不是。“我们将一个以容易与光相互作用而闻名的量子比特与一个以非常孤立而闻名的量子比特结合起来，从而长时间保存信息。通过将这两者结合起来，我们认为我们可以两全其美，”Martínez说。它是如何工作的?“电子(电子量子位)在钻石中呼啸而过，可能会卡在锡缺陷上，”哈里斯说。然后这个电子量子位可以将它的信息传递给旋转的锡核，即核量子位。“我喜欢用太阳系来类比，”哈里斯继续说道。“太阳在中间，这是锡核，然后地球绕着它转，这是电子。我们可以选择按照地球自转的方向存储信息，这就是我们的电子量子位。或者我们可以把信息存储在太阳的方向上，太阳绕着自己的轴旋转。这就是核量子位。"

一般来说，光通过光纤将信息传递到新设备，该设备包括一堆微小的钻石波导，每个波导比人类头发小1000倍。那么，有几种设备可以作为节点来控制量子互联网中的信息流。

在《自然光子学》中描述的工作涉及到一个设备的实验。“最终，一个微芯片上可能会有成百上千个这样的芯片，”Martínez说。在2020年发表在《自然》杂志上的一项研究中，麻省理工学院的研究人员，包括几位现任作者，描述了他们对能够实现设备大规模集成的架构的愿景。

哈里斯指出，他的理论工作预测了锡核和进入的电子量子位之间的强烈相互作用。“它比我们预期的要大十倍，所以我认为计算可能是错误的。然后剑桥的研究小组来测量了它，很高兴看到这个预测被实验证实了。"

同意Martínez说，“理论加上实验最终使我们确信[这些相互作用]确实发生了。”