Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation: Kilohertz Entanglement in a Heterogeneous Quantum System

构建一台能够解决超越当今机器能力的难题的计算机，需要对我们思考信息的方式进行根本性的转变。这些未来的机器不再使用非零即一的比特，而是使用量子比特（qubits），它们可以同时处于两种状态的微妙混合之中。为了让这些机器强大到足以应对现实世界的挑战，科学家不能仅仅依赖单个芯片；他们必须将许多小型处理器连接成一个庞大的网络。挑战在于，连接这些独立的模块极其困难。这种连接必须足够快，以防止量子信息消散；它还必须足够精确，以确保链路的两端能够完美同步。如果连接太慢或错误率太高，整个系统会在完成计算之前就崩溃。

多年来，研究人员一直试图利用光来弥补这些差距。光子是构成光的粒子，由于其飞行速度快且与周围环境相互作用微弱，因此是极佳的信息载体。然而，将一个光子从一个处理器发送到另一个处理器，就像是在飓风中试图捕捉一只萤火虫；大多数情况下，光在到达目的地之前就会丢失。这种丢失迫使科学家不得不一次又一次地重试，这使得整个过程变得极其缓慢。目标一直是找到一种方法，让这种连接每秒发生数千次，从而匹配处理器本身的操作速度。

一组研究人员现在通过成功地以从未实现过的速度连接两种截然不同的量子系统，向这一目标迈出了重要一步。他们将一个由电场在真空中捕获的单原子与钻石晶体内部的一个微小缺陷连接了起来。该原子充当处理器，而钻石中的缺陷则作为存储单元。通过使用一束光来架起两者之间的桥梁，该团队成功创建了一种被称为“纠缠”的特殊链路，在这种状态下，两个遥远的物体被深度连接在一起，其中一个的状态会瞬间影响另一个。他们实现的这种连接平均速率为每秒 1.03 千次，这一速度匹配了他们希望在未来连接的处理器的工作周期。

这项实验涉及了一次精心编排的单光子旅程。它始于一个被束缚在真空室中的钡离子，即单个钡原子。研究人员用激光脉冲激发这个原子，使其发射出一个光子。这个光子携带了关于原子内部状态的信息，但它尚未准备好前往钻石。这个光子必须被转换为不同颜色的光，且其信息必须被重写为钻石能够理解的新格式。团队使用一种特殊的晶体来改变光子的颜色，并使用另一种设备来转换其信息的编码方式，将其从基于偏振的信号转变为基于时间的信号。

一旦光子准备就绪，它就会通过光纤传输到冷却至接近绝对零度的钻石芯片中。在这个芯片内部有一个硅空位中心，这是一种特定的缺陷，其中一个硅原子占据了原本属于碳原子的位置。这个缺陷充当了量子存储器。当光子到达时，它会与硅缺陷的电子自旋发生相互作用。如果光子被钻石腔体反射回来，则意味着相互作用已经发生，两个系统现在已经纠缠在一起。检测到这个被反射的光子信号，即“预报”（herald），证实了连接已成功建立。

研究人员测量了这种连接的质量，发现其表现非常出色。它们生成的纠缠对准确率达到了 88%。这种水平的准确性至关重要，因为这意味着该链路足够可靠，可用于未来的量子网络。1.03 千次每秒的连接速度比之前记录的连接两个俘获离子的速度快了四倍。更重要的是，这一速率对应于每毫秒一次成功的连接，这与计划中的离子型处理器运行的速度一致。这种同步至关重要；如果网络比处理器慢，计算机大部分时间都会在等待数据而非进行计算。

这项实验的成功依赖于结合两种不同技术的优势。俘获离子擅长快速发射光子，但很难高效地收集这些光子；而钻石存储器则非常擅长与光子相互作用，但在自主生成光子方面表现不佳。通过将两者相连，团队创建了一个混合系统，其中离子提供速度，而钻石提供效率。他们通过使用一种既能收集离子发出的光，又无需在真空腔内放置复杂光学元件的装置，并高精度地将其从钻石存储器反射出来的设置，克服了通常存在的权衡问题。

尽管结果令人印象深刻，但研究人员明确表示，这还不是终点。目前的系统在传输过程中仍会丢失一些光子，且连接的保真度（即准确性）尚未达到完美。团队识别出了特定的误差来源，例如光线通过过滤器泄漏，或者存储器在连接确认前丢失了状态。他们相信，通过改进光的收集、优化转换过程以及使用更好的探测器，他们可以将速度推得更高，潜力甚至可以达到每秒五千次连接或更多。

这项工作证明了构建一个能以其连接的处理器速度运行的量子网络是可能的。它证明了异构系统（即混合了不同类型量子硬件的系统）可以有效地协同工作。随着研究人员展望未来，他们看到了将许多此类模块连接起来以构建大规模量子计算机的路径。这种架构允许在网络中分布纠缠，使处理器能够共同执行复杂的算法。将量子态从弱信号“远程传输”到强大处理器的能力，也可能为传感和通信领域开启新的大门。这项实验是一个具体的证明，表明这种缓慢且具有概率性的连接瓶颈是可以被克服的，从而使分布式量子互联网的愿景离现实又近了一步。