亚马逊实现量子网络里程碑，什么是量子网络？

光子盒研究院出品

2022年9月12日，哈佛大学和亚马逊网络服务(AWS)启动了战略联盟，以推进量子网络的基础研究和创新。11月3日，哈佛大学和AWS科学家联合团队在《科学》杂志上发表了一篇研究论文[1]，讨论了可以在更高温度下运行的量子存储器：这使得量子通信网络这一基本组成部分的成本降低，可靠性提高。

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商业化的里程碑：减少温度相关退相干

哈佛大学和AWS的科学家组成的联合团队致力于研究一个领先的量子存储器平台：金刚石晶体中的硅空位合作，并发现了如何减少它们与温度有关的退相干。对于金刚石中的硅空位，退相干是由编码量子比特的状态和声子之间的相互作用驱动的，声子在1开尔文（-272.15℃）的温度下开始出现在金刚石中。利用金刚石晶格中的应变，科学家能够增加量子比特状态之间转换的能量，使其只与更高能量的声子（在20开尔文出现）相互作用：确保即使在4开尔文也没有热声子能够驱动这一转换。在4开尔文下运行是一个商业上的重要里程碑，因为它使团队能够从氦气稀释制冷机过渡到更可靠、更具成本效益的技术。

高温下的自旋-光子纠缠。图(C)是在1.5K下使用谐振电子读出的重建密度矩阵；（E）是100 mK和（F）4.3 K下重建的光-核自旋纠缠密度矩阵。

在同一篇论文中，还展示了硅空位电子量子比特和硅核自旋编码的量子比特之间的量子门，后者对环境噪声不太敏感。利用这些相互作用能够证明光、电子量子比特和核量子比特之间的高保真信息交换。这些结果表明，硅空位具有一次存储和处理多个量子比特的能力：这是可扩展量子网络的关键要求之一。

光子、硅空位电子量子比特和核量子比特之间的相互作用。A）金刚石中硅空位中心的量子水平。黑线表示硅空位的不同状态的能量。在最左边，在没有外部磁场的情况下，硅空位只有两个能级，一个“基态”和一个“激发态”。如果激光击中硅空位，它将过渡到激发态，然后发射一个光子并跳回基态。在有磁场的情况下（黑线的中间部分），基态和激发态具有不同的能量，取决于电子的磁场方向。这个磁场被称为电子的“自旋”，对一个量子比特进行编码。在最右边，加入了核量子比特的影响，它根据核自旋的情况进一步将能量向上或向下移动。电控制脉冲，‘MW’和‘RF’，可以使核和电子的自旋在上升和下降之间翻转，允许在电子上编码的量子比特和核中编码的量子比特之间进行量子操作。B）使用扫描电子显微镜拍摄的量子存储器装置的图像。白色刻度条是百万分之三米（万分之一英寸）。中间的灰色悬浮材料是一根细的金刚石线，称为波导，沿其长度捕获和引导光线。它周围的黄色区域是由黄金制成的细线，它们传递控制脉冲，改变量子比特的状态。C）量子存储器装置的放大照片。波导中的孔形成镜子，在硅空位附近捕获光子，使其能够有效地捕捉光子。图片下面的示意图显示了与光子的相互作用是如何进行的：根据电子的量子状态，光子以不同的方式被反射，使量子信息能够从光子转移到电子自旋。

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量子中继器：将通信中的量子纠缠分发给远程用户

量子通信的安全性来自一个叫做“不可克隆定理”的原理，它指出不可能忠实地克隆一个未知的量子态。这可以理解为：如果窃听者试图通过测量一个或两个量子比特来拦截量子信息，他们的测量将使两个比特坍缩以指向明确定义的方向并破坏纠缠，在这种情况下，通信方执行的测量有时不会以预期的方式关联。通过纠缠，攻击者也无法纠缠第三个量子比特来存储信息，这表明只有两个量子比特可以最大程度地纠缠。这允许双方通过测量他们的量子比特对的相关性来检查相关性是否不与第三方共享。两个通信方可以公开比较他们的比特的一个随机子集。如果他们的比特没有以预期的方式相关，那么通信方就知道有人试图窃听他们的通信。

量子通信中的纠缠分发。用于将纠缠的量子比特分配给远方的现有系统使用激光和非线性晶体来产生纠缠的光子对。这种方法受到光子损失的阻碍，因为它们在长光纤链路上传输。

大多数纠缠分发系统依靠光子来传输它们的量子信息。光子或单个光粒子是量子通信的有效量子比特，因为它们可以通过光纤电缆长距离传输。纠缠光子也很容易通过一种特殊的非线性光学晶体照射激光来产生；但是，通过电信光纤传输的光子最终会被吸收或散射。这为仅使用光子的基于光纤的量子通信设定了最大距离，通常约为100公里。

在经典的光纤网络中，这种损失是通过引入放大器来补偿的，放大器通过产生许多输入光子副本来增强弱信号。然而，由于不可克隆定理，放大器不能完美地复制量子态。它在放大过程中产生的噪声破坏了量子通信所需的纠缠。我们需要构建一个新设备，而不是放大器，而是一个量子中继器，它可以通过捕获和存储（而不是测量）编码在光子中的量子比特来校正光子损失，而不会破坏通信信息的量子特性。

量子中继器通过一个被称为“纠缠互换”的过程扩大了量子通信的范围。

联合量子测量和纠缠交换。尽管测量纠缠对中一个量子比特的状态会破坏纠缠，但测量两个量子比特的联合状态可以保持纠缠状态。这些联合量子测量可用于交换纠缠，使用两个纠缠的量子比特对在以前不存在的地方创建纠缠。

量子中继器使用联合量子测量来避免破坏纠缠。通过测量诸如“量子比特指向相同还是相反的方向？”之类的集体属性。任何一个量子比特都没有透露任何信息，并且纠缠被保留了下来。这个联合测量的示例，称为量子奇偶校验位测量：如果量子比特指向相同的方向，则量子奇偶校验位测量输出+1，如果它们指向相反的方向，则输出-1。

一个量子中继器将一段量子网络分成两部分，如下图的右半部分所示。它包含两个量子存储器B和C，它们可以捕获光子并存储它们的量子比特而不测量它们。以这种方式，中继器可以存储来自两个单独的纠缠比特对的每个量子比特。一旦中继器从链路两侧捕获并存储了一个光子，它就会对存储的量子比特执行量子奇偶校验位测量。使用奇偶校验位测量的结果和初始纠缠量子比特的属性，我们可以知道剩余两个量子比特的奇偶校验，而无需了解它们分别指向哪个方向。这将纠缠“交换”到链接的末端，而不需要单个光子穿过它们之间的全部距离。尤其，中继器不必被Alice和Bob信任以确保通信安全；如果敌对方试图通过在中继站测量来获取有关密钥的信息，Alice和Bob将在他们的测量中看到可检测的变化。

量子中继器和量子网络。量子中继器可以通过用一系列较短的链路替换可能会丢失纠缠光子的长光纤链路来扩展量子网络的范围。每个较短的链路都可以尝试在中继器之间多次分发纠缠，而成功传输的纠缠则存储在量子存储器中。当在每个链路上建立纠缠时，量子中继器可以执行纠缠交换以将其分发给最终用户。

可以捕捉和存储光子中的量子信息的中继器可以通过长量子网络链接提高纠缠产生率。没有中继器，任何纠缠的光子到达Alice和Bob的概率很低。通过将可以共享纠缠并与相邻链路执行纠缠交换的中继站链接在一起，量子网络将量子通信链路分成许多较小的链路；如果一个特定链路无法建立纠缠，则当失败的链路试图重新建立纠缠时，其余的中继器可以继续存储他们收到的纠缠比特。当在每个链路上都建立了纠缠时，中继器执行纠缠交换以将纠缠对传递给最终用户。通过使用纠缠交换，中继器链可以可靠地将纠缠分发给更远距离的用户。

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研究意义：在更高的温度下运行，显著降低成本

量子中继器中最难实现的部分是能够捕捉和存储光子的设备，即所谓的量子存储器。量子存储器仍处于起步阶段，许多有前途的量子存储器如果不在接近绝对零度的温度下工作，其存储的量子比特会出现退化（“退相干”）。这一要求意味着量子中继器需要氦气稀释制冷机，这既麻烦又昂贵：需要复杂的激光冷却系统来避免由热振动（称为声子）驱动的退相干。

此次研究进展为广泛部署、可靠的量子中继器铺平了道路，它将实现防窃听的通信和对量子计算机的私人访问。此次研究可以降低通常需要让存储器保持低温的超冷制冷成本，并提高扩展网络距离所需的量子中继器的性能和可靠性[3]。哈佛大学和AWS的研究人员继续致力于提高量子比特主机材料的可用性和质量，改善中继器硬件的可扩展性，并发展对网络和不同量子比特的理论理解，这将是使这项技术公开可用的必要条件。

论文作者David Levonian表示：“将工作温度提高到某种程度，低温系统将比原本需要的成本低10倍，而且体积更小，这真的开始将它[量子存储器]移动到可能在数据中心的机架中。”他强调，在这种进步能够商业化之前，以及在使用量子中继器的基于纠缠的量子网络能够普及之前，还需要做更多的工作，因为与量子网络相关的许多工作，尤其是与量子中继器相关的工作，仍然在实验室中进行。

“接下来，我们会在上面放一个时间表，将设置这些中继器设备的网络，以表明可以建立一个QKD网络，并使用现成的产品来实现。”

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9771

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2103-5

[3]https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/aws-claims-major-quantum-networking-research-advancement/

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