量子互联网（Quantum Internet）可发送无法破解的消息，提高GPS的精准度，并实现基于云计算的量子运算。20多年来，因为无法达到远程无损地发送量子信号的要求，这使创建量子网络成为遥不可及的梦想。现在哈佛大学和麻省理工学院（MIT）研究人员找到一种通过原型量子节点（Prototype Quantum Node）纠正信号丢失的方法，节点可以捕获、存储和纠缠量子信息。这个研究视为迈向实用量子互联网的“缺失环节”（Missing Link），也是远程量子网络发展的重要一步。
“这个实证展示是可扩展量子网络最远可能距离，并可能以任何现有技术都无法完成的方式来完成许多新应用的概念性突破，”哈佛大学George Vasmer Leverett物理学教授暨哈佛量子计划（Harvard Quantum Initiative，HQI）联合主任Mikhail Lukin表示：“这是20多年来量子科学和工程界追求目标的一次重大实现。”研究已发布在《自然》（Nature）期刊。
通过量子中继器打造可远程发送消息的纠缠粒子网络
在传统网络，如果纽约A小姐想发送一则消息给加州B先生，消息会从西岸到东岸沿直线发送。过程中信号会通过中继器，并在其中读取、放大和纠正错误。整个过程任何位置点都容易受攻击。
但如果A小姐想发送量子消息，那过程会有很大不同。量子网络是通过光的量子粒子（个别光子Photon）远程发送光的量子态（Quantum State）。这种网络具有传统系统没有的技巧：纠缠（Entanglement）。A小姐可使用纠缠发送消息给B先生，完全不必担心被窃听。此概念是量子密码学应用的基础，量子物理学定律可保证安全性。
然而，远程量子通信也受常见光子损耗影响，这是完成大规模量子互联网的主要障碍之一。虽然量子通信超安全，但却无法通过现有传统中继器修复信息遗失的问题。对此必须采用所谓量子中继器（Quantum Repeater），通过它便能创建可发送消息的纠缠粒子网络。
本质上，量子中继器是种小型专用的量子计算机（QC）。在网络每个阶段，量子中继器必须能捕获和处理若干量子位元的量子信息以纠正错误，并存储够长时间，以便随时发送到准备就绪的下个网络节点。到目前为止，以上理论在真实世界仍无法做到的原因有二：首先，单光子很难捕获，其次，量子信息出名地脆弱，这使长时间处理和存储极具挑战性。
通过“硅空缺色心”组件，解决单光子捕获及长时间存储问题
与电子工程、计算机科学及化学等领域知名专家学者有合作关系的Lukin实验室，一直致力于利用某个系统完成这两项任务，也就是钻石晶格所谓的“硅空缺色心”（Silicon-Vacancy Color Centers）。这些中心是钻石原子结构的微小缺陷，可吸收并辐射光线，进而让钻石发出鲜艳夺目的色彩。
“过去几年，我们实验室一直致力于理解和控制个别硅空缺色心，尤其重心会放在如何使用它们当作单光子之量子存储组件的议题。”Lukin研究小组研究生Mihir Bhaskar表示。
研究人员将单一色心集成到纳米钻石腔体，进而限制承载信息的光子，迫使它们与单一色心相互作用。然后，他们将组件放在一台温度接近绝对零度的稀释冷冻机（Dilution Refrigerator）中，然后通过光纤电缆将单光子发送到冷冻机，最后色心会有效捕抓到这些单光子。
此组件可存储量子信息达几毫秒之久（这足以让信息传输好几公千公里远了）。嵌入腔体周围的电极可发送控制信号，以便处理和保存存储在内存的信息。
“此组件结合量子中继器最重要的三大要素：够持久的存储时间，有效捕获光子信息的能力，以及本地端处理的方式。”纳米级光学实验室（the Laboratory for Nanoscale Optics）研究生Bart Machielse指出：“其中每个挑战都个别解决了，但没有一个组件能同时解决这3个挑战。”
“目前，通过将量子内存部署在真实城市光纤链路，我们得以扩大这项研究的应用领域，”Lukin研究小组博士后研究人员Ralf Riedinger表示：“我们计划创建量子纠缠内存大型网络，并探索首次量子互联网应用的可行性。”
“这是首次系统级的展示，结合了纳米制造技术（Nanofabrication）、光子学（Photonics）及量子控制方面的主要先进研究成果，展现在使用量子中继器节点进行信息通信方面的显著量子优势。我们期盼能开始探索使用这些技术的独特新应用。”Lukin表示
（首图来源：shutterstock）