视频：量子互联网从这里开始

光子盒研究院出品

荷兰QuTech的一组研究人员报告了第一个多节点量子网络的实现，该网络连接了三个量子处理器。同时他们实现了关键量子网络协议的原理证明。他们的发现标志着未来量子互联网的一个重要里程碑，现已发表在《科学》杂志上。

互联网的力量在于它允许地球上的任何两台计算机相互连接，实现了几十年前创建互联网时无法想象的应用。

今天，世界各地许多实验室的研究人员正在努力开发量子互联网的第一个版本——一种可以远距离连接任何两个量子设备（如量子计算机或传感器）的网络。鉴于今天的互联网以比特(可以是0或1)的形式分发信息，未来的量子互联网将使用同时可以是0和1的量子比特。

研究小组成员、博士生Matteo Pompili说，量子互联网将开辟一系列新的应用，从具有完全用户隐私的不可破解的通信和云计算到高精度计时。就像40年前的互联网一样，现在可能有许多我们无法预见的应用。

论文合著者Matteo Pompili(左)和Sophie Hermans(右)，都是Ronald Hanson团队的博士生。

在过去十年里，通过连接两个共享直接物理连接的量子设备，朝着量子互联网迈出了第一步。然而，能够通过中间节点（类似于经典互联网中的路由器）传递量子信息对于创建可扩展的量子网络至关重要。

此外，许多有前途的量子互联网应用依赖于纠缠量子比特，在多个节点之间进行分发。纠缠是一种在量子尺度上观察到的现象，从根本上连接了小距离甚至大距离的粒子。它为量子计算机提供了巨大的计算能力，是未来量子互联网上共享量子信息的基础资源。

通过在实验室实现量子网络，QuTech——代尔夫特理工大学和TNO之间的合作——的一组研究人员首次通过中间节点连接了两个量子处理器，并在多个独立的量子处理器之间建立了共享纠缠。

基本的量子网络由三个量子节点组成，位于同一栋建筑内的某个距离处。为了使这些节点像一个真正的网络一样工作，研究人员必须发明一种新的架构，使其能够扩展到单个连接之外。

中间节点（称为Bob）与两个外部节点（称为Alice和Charlie）都有物理连接，允许与每个节点建立纠缠连接。Bob配备了一个额外的量子比特，可以用作存储，允许在建立新连接时存储先前生成的量子连接。

在建立了量子连接Alice–Bob和Bob–Charlie之后，Bob的一组量子操作将这些连接转换为量子连接Alice-Charlie。或者通过在Bob处执行一组不同的量子操作，在所有三个节点之间建立纠缠。

研究人员在其中一个量子网络节点上工作，镜子和滤光器将激光束导向金刚石芯片。

网络的一个重要特征是，它用一个“标志”信号宣布这些（本质上是概率性的）协议的成功完成。这对可扩展性是至关重要的，因为在未来的量子互联网中，许多这样的协议需要连接在一起。

该研究小组的另一位成员Sophie Hermans说，一旦建立起来，我们就能够保存由此产生的纠缠态，保护它们不受噪音干扰。这意味着，原则上，我们可以将这些纠缠态用于量子密钥分发、量子计算或任何其他后续的量子协议。

第一个基于纠缠的量子网络为研究人员开发和测试量子互联网硬件、软件和协议提供了一个独特的测试平台。领导研究小组的Ronald Hanson说：“未来的量子互联网将由无数的量子设备和中间节点组成。QuTech的同事们已经在研究未来与现有数据基础设施的兼容性。”

届时，目前的原理验证方法将在实验室外的现有电信光纤上进行测试，其中第一个城域网计划于2022年完成。

在实验室，研究人员将重点放在在他们的三节点网络中添加更多的量子比特，以及添加更高级别的软硬件层。一旦运行网络的所有高级控制和接口层都开发出来，任何人都可以编写和运行网络应用程序，而不需要理解激光器和低温恒温器是如何工作的。这就是最终目标。

文章链接：

https://qutech.nl/2021/04/15/dutch-researchers-establish-the-first-entanglement-based-quantum-network/

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