量子互联网发展的重要里程碑：混合量子网络诞生！
导读
最近，西班牙科研人员实现了一种基础的“混合”量子网络连接，首次展示了使用单个光子作为信息载体，在位于不同实验室的两个不同的量子节点之间进行光量子通信。
背景
如今，量子信息网络正在逐渐发展为一项颠覆性技术，从根本上解决信息处理和通信的问题。最近有研究显示，这种量子网络革命即将到来。量子信息网络的关键要素是存储和处理信息的量子节点。它由例如冷原子气体或者掺杂固体组成，还包括通信粒子。
对于掺杂固体而言，笔者曾经介绍过澳大利亚国立大学（ANU）的科研人员采用一种掺杂铒的晶体特别适合作为量子网络的构建模块，它兼容现有的光纤电缆，可以显著改善存储器的存储时间。
对于通信粒子而言，量子互联网采用的信息载体是单光子，光子在不被破坏的情况下，其携带的信息是无法被获取的。也就是说，传统的骇客攻击无法对于量子互联网起到作用。另外，依据量子力学原理，对量子的任何测量行为都是对量子体的一次修改，因此任何窥探量子信息的行为都会留下痕迹，量子信息的接收者都会察觉到。
虽然光子看上去像是完美的通信载体，但是因为每个系统提供不同的功能，对于哪个物质系统可以作为网络节点使用仍然有不确定性。
创新
因此，科研人员提出了一种实现混合网络的方案，致力于将不同物质系统的最佳特性结合起来。之前，有研究记录过在相同节点之间实现量子信息的可靠传输，例如：加拿大渥太华大学的科研人员通过自由空间光网络，在两座相距0.3千米的建筑之间，演示了四维量子加密。这次成功的实验表明，未来使用高容量、自由空间的量子通信，创建地基网络和卫星之间的安全通信链接将成为现实。
但是，这次我们要介绍的是科学家第一次通过“混合”网络节点来实现这种传输。
（图片来源： ICFO/Scixel）
ICFO 研究人员实现了一种混合量子网络的方案，且可以应对通过单光子在不同量子节点之间实现可靠传输所面临的挑战。单光子需要在无噪音的环境中，与异构节点或者物质系统发生强烈地相互作用，它们通常作用于不同的波长和带宽。正如 Nicolas Maring 所陈述的：
“这就像让节点说两种不同语言。为了让它们能够通信，必须将转化单个光子特性，使之可以在不同节点之间有效地传递信息。”
在最近发表于《自然》杂志的一项研究中，西班牙光子科学研究所（ICFO ）的研究人员 Nicolas Maring、Pau Farrera、Kutlu Kutluer 博士、Margherita Mazzera 博士，在西班牙ICREA研究所教授 Hugues de Riedmatten 带领下，实现了一种基础的“混合”量子网络连接，首次展示了使用单个光子作为信息载体，在位于不同实验室的两个不同的量子节点之间进行光量子通信。
（图片来源： ICFO）
技术
在研究中，ICFO 研究人员使用两种独特的量子节点：发射节点是铷原子的激光冷却云，接收节点是掺杂镨离子的晶体。
他们通过冷气生成由单光子编码的量子位（qubit），其带宽非常窄，波长只有780纳米。他们然后将光子转化为1552纳米的通信波长，以展示这种网络能够完全兼容现有的C波段电信系统。随后，他们通过光纤将它从一个实验室发送到另外一个。在第二个实验室，光子的波长转化为606纳米，以实现正确地交互，并将量子状态转移到接收端的掺杂晶体节点。当与晶体发生交互时，光子量子位只需大约2.5微秒就可以存储到晶体中，并且可以通过非常高的保真度取回。
（图片来源： ICFO）
这项研究成果表明：两个大不相同的量子系统可以连接起来，并且通过单光子通信。正如 Hugues de Riedmatten 教授所评论的：
“将功能和容量大不相同的量子节点相连接，并且通过节点之间的单光子传输量子位，代表着开发混合量子网络的重要里程碑。”
在电信C波段的系统上，实现光量子比特的来回转换，展示了这些系统将与现有的电信网络完全兼容。
价值
传统的信息网络，也称为“环球信息网”（WWW），是在上世纪80年代开发，信息借助“比特位”在网络中流动，利用电子电路进行处理和调制，通过光脉冲进行传输，这些光脉冲通过光纤，以最低的信号损失在网络中传递信息。
现在，量子信息网络（也称“量子互联网”）并不是使用经典的比特位，而是通过量子位（qubits）处理和存储量子信息。比特位可能是“0”或者“1”，而量子位可以是这两种状态的叠加。在量子网络中，它们通过量子物质系统生成和处理，例如冷原子气体，掺杂固体以及其他系统。与经典网络相反，量子信息使用单光子，而不是强烈的光脉冲，在不同节点之间传输量子信息。
量子信息网络（由物质量子节点和量子信息通道组成）将打开一条通往颠覆性技术的新途径，例如有望开启极度安全的数据传输、通过分布式量子技术提高数据处理的速度、高级时钟同步应用等等。
参考资料
【1】http://www.icfo.eu/newsroom/news/article/3789
【2】https://www.nature.com/articles/nature24468
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