量子計算機可以以驚人的速度執行某些計算。但長距離連接計算機是構建大規模、可靠的量子網絡的主要障礙之一。
直到最近，兩台量子計算機還可以通過光纖電纜在僅幾公里的距離內連接。這一限制意味著芝加哥大學南區校園的系統無法與威利斯大廈校園進行通信，即使兩者位於同一城市。對於目前的技術來說這個距離太大了。
11 月 6 日發表的一項新研究 自然交流 作者：芝加哥大學普利茲克分子工程學院 (UChicago PME)，助理。田中教授認為，這個界限還可以進一步擴大。他的團隊的工作表明，量子連接理論上可以延伸至 2,000 公里（1,243 英里）。
這樣，以前無法到達威利斯大廈的芝加哥大學量子計算機就可以連接到猶他州鹽湖城以外的設備。
“構建全球量子互聯網的技術第一次觸手可及，”鐘說，他最近因這項研究獲得了著名的斯特奇獎。
為什麼量子相干性很重要？
為了創建高性能量子網絡，研究人員必須使原子糾纏，並在信號通過光纜傳輸時保持這種糾纏。糾纏原子的相干時間越長，量子計算機連接得越多，它們之間的距離就越遠。
在這項新研究中，鐘的團隊在一次實驗中成功地將單個鉺原子的相干時間從0.1毫秒增加到10毫秒以上。在理想條件下，它們的相干性達到 24 毫秒。這一改進可以實現相距約 4,000 公里的量子計算機之間的通信，這是芝加哥大學 PME 和哥倫比亞奧卡尼亞之間的距離。
以新的方式創造相同的材料
該團隊沒有改用不熟悉或奇異的材料。相反，他們重新構想了材料的創造方式。他們使用一種稱為分子束外延（MBE）的方法而不是直拉斯基的標準方法來生產量子糾纏所需的稀土摻雜晶體。
“生產這種材料的傳統方法是使用熔爐，”鐘說，指的是直拉斯基的方法。 “你將成分按照正確的比例混合，然後將所有東西融化。溫度超過 2000 攝氏度，然後逐漸冷卻，直到形成結晶材料。”
隨後，研究人員用化學物質蝕刻冷卻的晶體以製造功能組件。就像雕塑家雕刻大理石直到達到最終形狀。
MBE 依賴於一個非常不同的概念。它類似於 3D 打印，但是在原子水平上。此過程將晶體置於薄層中。它最終成為設備所需的精確結構。
“我們從零開始。然後一次組裝一個原子，”鐘說。 “這種材料的質量或純度非常高，以至於這些原子的量子相干特性非常出色。”
儘管MBE已經應用於材料科學的其他領域，但這種稀土摻雜材料以前從未被使用過。對於這個項目，鐘與材料合成專家芝加哥大學 PME 助理合作。楊碩龍教授根據他們的需求定制MBE。
光子科學研究所的 Hugues de Riedmatten 教授並未參與這項研究，他將這一發現描述為向前邁出的重要一步。 “本文所展示的方法是一種非常創新的方法，”他說。 “它表明，良好控制的自下而上的納米製造方法可以創建具有優異光學和自旋相干特性的稀土離子量子位。這導致了長壽命的自旋光子接口，並在電信波長處發射。這一切都在光纖設備架構中。這是一項重大進步，為以受控方式大規模生產網絡量子位提供了一條有吸引力的可擴展途徑。”
準備實際測試
該項目的下一階段是確定改進的鏈路時間是否可以支持理論模型之外的遠程量子通信。
“在我們實際部署光纖之前，比如芝加哥到紐約，我們將在我的實驗室進行測試，”鐘說。
該團隊計劃連接鐘實驗室稀釋冰箱（“冰箱”）中的兩個量子位。使用 1,000 公里的盤繞光纖，這一步將使他們能夠在大規模推廣之前驗證系統是否按預期工作。
“我們現在正在實驗室裡建造第三台冰箱。當所有東西組合在一起時，就創建了一個局域網。我們將首先在我的實驗室進行實驗，模擬未來的長途網絡會是什麼樣子。”鐘說。 “這都是構建真正的量子互聯網這一宏偉目標的一部分。我們正在達到另一個里程碑。”
