研究人员在现实环境中达到了量子网络的里程碑(量子官网)

在Alice实验室的量子设备中，光子源和团队网络的第一个节点被储存在那里。资料来源:卡洛斯·琼斯/ORNL，美国能源部

来自美国能源部橡树岭国家实验室、斯坦福大学和普渡大学的一个团队开发并展示了一种新颖的、全功能量子局域网络(QLAN)，利用通过光纤的纠缠光子，实现实时调整，以便与ORNL地理隔离系统共享信息。

这个网络展示了专家们如何在实际规模上常规地将量子计算机和传感器连接起来，从而在通往备受期待的量子互联网的道路上实现这些下一代技术的全部潜力。该团队的研究成果发表在《PRX量子》杂志上，标志着多年相关研究的顶峰。

连接经典计算设备的局域网并不是什么新鲜事，qlan已经在桌面研究中成功测试过了。到目前为止，量子密钥分发是量子通信领域最常见的例子，但这个过程是有限的，因为它只建立了站点之间的安全，而不是纠缠。

“我们正试图为构建量子互联网打下基础，通过理解关键功能，比如纠缠分布带宽，”俄勒冈州国家实验室的量子信息科学部门负责人尼古拉斯·彼得斯(Nicholas Peters)说。“我们的目标是开发基本工具和构建模块，展示量子网络应用，这样它们就可以部署在真实的网络中，实现量子优势。”

当两个光子粒子配对或纠缠在一起时，无论它们之间的物理距离如何，它们都显示出比任何经典方法都更强的量子相关性。这些相互作用使只有使用量子资源才能实现的违反直觉的量子通信协议成为可能。

其中一种协议，远程状态制备，通过测量纠缠光子对的一半并有效地将另一半转换为首选量子态，利用纠缠和经典通信对信息进行编码。彼得斯在2005年获得物理学博士学位时，领导了第一个远程状态准备的一般实验实现。该团队在qlan的所有配对链路上应用了这项技术——这是以前在网络上没有完成的壮举——并展示了基于纠缠的量子通信的可扩展性。

这种方法使得研究小组能够将三个远程节点连接在一起，这三个节点被称为“爱丽丝”、“鲍勃”和“查理”——这些名字通常用于描述可以通过量子传输进行通信的虚构人物——它们位于橡树岭国家实验室的三个不同的研究实验室，分别位于三幢独立的大楼里。从包含Alice和光子源的实验室，光子通过ORNL现有的光纤基础设施将纠缠分布到Bob和Charlie。

量子网络与放大器和其他经典信号增强资源是不相容的，它们会干扰纠缠光子共享的量子关联。考虑到这个潜在的缺点，该团队结合了灵活的网格带宽配置，使用波长选择开关来分配和重新分配量子资源给网络用户，而不断开QLAN。这种技术提供了一种内置的容错性，通过这种容错性，网络运营商可以通过将流量重新路由到其他区域，而不影响网络的速度或安全协议，从而对意料之外的事件(如光纤中断)作出响应。

”,因为网络的需求可能随时间变化或不同的配置,你不想有一个系统与固定波长通道总是分配特定的用户相同的部分,”Joseph luken说ORNL魏格纳研究员、研究员以及团队的电气工程专家。“相反，你希望根据用户的需求灵活地为网络上的用户提供或多或少的带宽。”

与典型的经典网络相比，量子网络需要每个节点的活动时间更紧密地同步。为了满足这一要求，研究人员依赖GPS，这是一种通用且经济的技术，利用卫星数据提供日常导航服务。利用位于Bob实验室的GPS天线，该团队与每个节点共享信号，以确保基于GPS的时钟在几纳秒内同步，并且在实验期间它们不会漂移。

在获得了光子探测器捕获的纠缠光子到达的精确时间戳后，该团队将这些测量数据从QLAN发送到一个经典网络，在那里他们从所有三个实验室收集了高质量的数据。

如果没有GPS信号，QLAN演示将产生较低质量的数据和较低的保真度，保真度是一种与量子网络性能有关的数学指标，用于测量量子态之间的距离。

该团队预计，对QLAN的小规模升级，包括增加更多节点和嵌套波长选择开关，将形成互连网络的量子版本——互联网的字面定义。

“互联网是一个由许多小网络组成的大网络，”俄勒冈州立大学博士后研究助理Muneer Alshowkan说，他为这个项目带来了宝贵的计算机科学专业知识。“量子互联网发展的下一个重要步骤是将QLAN连接到其他量子网络。”

此外，该团队的发现可以用于改进其他探测技术，比如那些用于寻找难以捉摸的暗物质证据的技术。暗物质是一种不可见的物质，被认为是宇宙的主要物质来源。

“想象一下，建立量子传感器网络，能够看到基本的高能物理效应，”彼得斯说。“通过开发这项技术，我们的目标是降低测量这些现象所需的灵敏度，以帮助正在进行的暗物质搜索和其他努力，以更好地了解宇宙。”

研究人员已经在计划他们的下一个实验，该实验将专注于实现更先进的同步计时方法，以减少事故的数量——网络中的噪声源——并进一步提高QLAN的服务质量。