（文章來源：科技報告與資訊）

加州理工學院的工程師研究發現，光腔中的原子可能是創建量子互聯網的基礎。他們的研究成果于3月30日發表在《Nature》雜志上。

量子網絡通過以量子級別而不是經典級別運行的系統連接量子計算機。從理論上講，通過利用量子力學的特殊特性（包括疊加），量子計算機有一天將能夠比傳統計算機更快地執行某些功能，這使得量子位可以同時將信息存儲為1和0。

與傳統計算機一樣，工程師希望能夠連接多臺量子計算機以共享數據并一起工作，創建“量子互聯網”。這將打開多個應用程序的大門，包括解決太大而無法由單個量子計算機處理的計算，以及使用量子密碼建立的安全通信。

為了正常運行，量子網絡需要能夠在兩點之間傳輸信息，而不會改變傳輸信息的量子特性。當前的一種模型是這樣工作的：單個原子或離子充當量子位，通過一個量子位來存儲信息（如果它具有諸如自旋之類的量子特性）。為了讀取該信息并將其傳輸到其他地方，原子被光脈沖激發，使其發出光子，該光子的自旋與原子的自旋糾纏在一起。然后，光子可以通過光纖電纜遠距離傳輸與原子糾纏的信息。

但要在實際中實現以上過程是比較困難的。關鍵在于尋找可以控制和測量的原子，并且要求該原子對引起誤差或退相干的磁場或電場波動不太敏感，這是非常具有挑戰性的。

論文的第一作者喬恩·金德姆（Jon Kindem ）說：“與光有很好相互作用的固態發射體往往成為退相干的犧牲品；也就是說，它們停止以量子工程前景中有用的方式存儲信息同時，稀土元素的原子（具有使元素可用作量子位的特性）往往與光的相互作用較弱。”

為了解決這一難題，由加州理工學院應用物理學和電氣工程學教授安德烈·法拉翁（Andrei Faraon）領導的研究人員構建了一個納米光子腔，該腔的長度約為10微米，具有周期性的納米圖案，由一塊水晶雕刻而成。然后，他們在光束中心發現了稀土鐿離子。光學腔使他們可以多次在光束之間來回反射光，直到最終被離子吸收為止。

在《Nature》雜志上，研究小組表明，腔改變了離子的環境，因此，每當離子發射光子時，光子保留在腔中的時間就超過了99％，科學家可以在那里有效地收集和檢測該光子，從而測量離子的狀態。這導致離子發射光子的速率增加，從而提高了系統的整體效率。

另外，鐿離子能夠自旋地存儲信息30毫秒。在這個時間內，光傳輸信息的距離很遠，甚至可以穿越美洲大陸。應用物理學和電氣工程學教授法勞恩說：“這是一種稀土離子，它吸收和發射光子的方式與我們創建量子網絡所需的方式完全相同。這可以形成量子互聯網的骨干技術。”

目前，該團隊的重點是創建量子網絡的構建塊。接下來，他們希望擴大實驗規模，并實際連接兩個量子位，Faraon說。
（責任編輯：fqj）