北京時間6月28日消息（余予）世界在等待量子技術(shù)。量子計算有望解決當(dāng)前或經(jīng)典計算無法解決的復(fù)雜問題。量子網(wǎng)絡(luò)對于實(shí)現(xiàn)量子計算的全部潛力、突破我們對自然的理解以及改善日常生活的應(yīng)用至關(guān)重要。

但要使其成為現(xiàn)實(shí)，需要開發(fā)利用當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的精確量子計算機(jī)和可靠的量子網(wǎng)絡(luò)。

最近，作為一種潛力的證明和邁向功能性量子網(wǎng)絡(luò)的第一步，伊利諾伊州快速量子網(wǎng)絡(luò) (IEQNET) 的一個研究團(tuán)隊成功地在美國能源部 (DOE) 的兩個實(shí)驗室之間使用本地光纖部署了一個長距離量子網(wǎng)絡(luò)。該實(shí)驗標(biāo)志著量子編碼光子（傳遞量子信息的粒子）和經(jīng)典信號首次以前所未有的同步水平在大城域距離同時傳遞。

為了測試兩個“時鐘”的同步性——一個在阿貢，一個在費(fèi)米實(shí)驗室——科學(xué)家們在兩個時鐘之間同時傳輸了一個經(jīng)典時鐘信號（藍(lán)色）和一個量子信號（橙色）。這些信號是通過伊利諾伊快遞量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的。研究人員發(fā)現(xiàn)，兩個時鐘在小于5皮秒或5萬億分之一秒的時間內(nèi)保持同步。（圖源：Lee Turman，阿貢國家實(shí)驗室）

IEQNET的合作伙伴包括美國能源部的費(fèi)米國家加速器和阿貢國家實(shí)驗室、西北大學(xué)和加州理工學(xué)院。他們的成功部分源于其成員涵蓋的計算架構(gòu)的廣度，從經(jīng)典和量子到混合。

“兩個國家實(shí)驗室相距50公里，在具有這種共享技術(shù)能力和專業(yè)知識的量子網(wǎng)絡(luò)上開展工作，并非易事，”費(fèi)米實(shí)驗室量子科學(xué)項目負(fù)責(zé)人、該項目的首席研究員Panagiotis Spentzouris表示，“您需要一支多元化的團(tuán)隊來解決這個非常困難和復(fù)雜的問題?！?/p>

他們共同表明，量子和經(jīng)典信號有可能在同一個網(wǎng)絡(luò)光纖上共存并實(shí)現(xiàn)同步，無論是在城域距離還是在現(xiàn)實(shí)世界的條件下。

研究人員指出，經(jīng)典計算網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足夠復(fù)雜。將量子網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)引入混合中會大大改變游戲規(guī)則。

當(dāng)經(jīng)典計算機(jī)需要執(zhí)行同步操作和功能時，例如安全和計算加速所需的那些，它們依賴于一種被稱為“網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (NTP) ”的東西。該協(xié)議在承載信息的同一網(wǎng)絡(luò)上分發(fā)時鐘信號，其精度比眨眼的速度快一百萬倍。

使用量子計算，所需的精度甚至更高。想象一下經(jīng)典的NTP是一名奧運(yùn)選手；量子計算的時鐘是閃電俠，漫畫書和電影中的超快超級英雄。

為了確保他們得到一對糾纏的光子——從遠(yuǎn)處相互影響的能力——研究人員必須產(chǎn)生大量的量子編碼光子。同時，知道哪些光子對是糾纏在一起的，就是同步性的來源。

研究團(tuán)隊使用類似的定時信號來同步費(fèi)米實(shí)驗室-阿貢網(wǎng)絡(luò)中每個目的地或節(jié)點(diǎn)的時鐘。

精密電子設(shè)備用于根據(jù)已知因素（例如距離、速度，以及溫度變化或振動在內(nèi)的光纖中環(huán)境干擾）調(diào)整此定時信號。

由于他們在兩個實(shí)驗室之間只有兩條光纖，研究人員不得不在攜帶糾纏光子的同一根光纖上發(fā)送時鐘信號。將時鐘與量子信號分開的方法是使用不同的波長，但這也帶來了自身的挑戰(zhàn)。

“為量子和經(jīng)典同步信號選擇合適的波長對于最大限度地減少影響量子信息的干擾非常重要，”阿貢計算機(jī)科學(xué)家和項目團(tuán)隊成員Rajkumar Kettimuthu表示，“一個類比可能是光纖是道路，波長是車道。光子是騎自行車的人，時鐘是卡車。如果我們不小心，卡車可能會駛?cè)胱孕熊嚨?。因此，我們進(jìn)行了大量實(shí)驗，以確?？ㄜ嚤３衷谄滠嚨郎稀！?/p>

最終，兩者都得到了適當(dāng)?shù)姆峙浜涂刂?，定時信號和光子從費(fèi)米實(shí)驗室的源頭分發(fā)。當(dāng)光子到達(dá)每個位置時，使用阿貢的超導(dǎo)納米線單光子探測器進(jìn)行測量和記錄。

“我們使用現(xiàn)成的技術(shù)展示了創(chuàng)紀(jì)錄的同步水平，該技術(shù)依賴于編碼到光上的射頻信號，”加州理工學(xué)院研究員兼IEQNET團(tuán)隊成員Raju Valivarthi說道，“我們在加州理工學(xué)院構(gòu)建并測試了該系統(tǒng)，IEQNET實(shí)驗證明了它在連接兩個主要國家實(shí)驗室的真實(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)中的準(zhǔn)備情況和能力?！?/p>

該網(wǎng)絡(luò)的同步非常精確，位于兩地的時鐘僅有5皮秒的時間差；一皮秒就是萬億分之一秒。

這種精度將使科學(xué)家能夠準(zhǔn)確地識別和操縱糾纏的光子對，以支持在現(xiàn)實(shí)世界條件下城域距離的量子網(wǎng)絡(luò)操作?；谶@一成就，IEQNET團(tuán)隊正準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗來演示糾纏交換。這個過程使來自不同糾纏對的光子之間產(chǎn)生糾纏，從而產(chǎn)生更長的量子通信通道。

“這是首次在真實(shí)條件下展示使用真實(shí)光纖來實(shí)現(xiàn)這種卓越的同步精度以及與量子信息共存的能力，”Spentzouris表示，“這一創(chuàng)紀(jì)錄的性能是構(gòu)建實(shí)用多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)的重要一步?！?/p>

該項目由美國能源部科學(xué)辦公室高級科學(xué)計算研究計劃資助。

阿貢國家實(shí)驗室尋求解決緊迫的國家科學(xué)技術(shù)問題。作為美國第一個國家實(shí)驗室，阿貢在幾乎所有科學(xué)學(xué)科中開展前沿的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。阿貢的研究人員與來自數(shù)百家公司、大學(xué)以及聯(lián)邦、州和市政機(jī)構(gòu)的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力，并為國家更美好的未來做好準(zhǔn)備。阿貢擁有來自60多個國家的員工，由UChicago Argonne, LLC為美國能源部科學(xué)辦公室管理。

美國能源部科學(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，致力于解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。

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