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包装好的量子中继器原型模块（中）安装在镀金铜组件上，并与印刷电路板（绿色）相连，它具有八个光学存储器，可将量子比特存储在金刚石中的硅原子中。
广受欢迎的儿童电话游戏基于一个简单的前提：开始游戏的玩家对着下一个玩家的耳朵低声传话。第二个人再把信息传给第三个人......以此类推，直到信息传到最后一个人的耳朵里，由他大声转告大家。通常情况下，第一个人说的话和最后一个人听到的会有可笑的差别；信息在传递过程中会出现混乱。这种从起点到终点的传输错误在量子世界也很常见。当量子信息比特或量子比特（传统数字电子学中经典比特的类似物）通过信道时，它们的量子态会退化或完全丢失。这种退相干现象在距离越来越长的情况下尤为常见，因为量子比特（无论是以光粒子、电子、原子还是其他形式存在）本质上都很脆弱，受量子物理定律或极小物体物理定律的制约。在如此微小的尺度（纳米尺度）上，即使与周围环境发生轻微的相互作用，也会导致量子比特失去其量子特性，并改变其存储的信息。就像电话游戏一样，原始信息和接收到的信息可能并不相同。
因此，麻省理工学院林肯实验室光与量子通信技术组（隶属于通信系统研发领域）组长斯科特·汉密尔顿(Scott Hamilton)说：“量子网络的一大挑战是如何在多个量子系统之间有效地移动这些微妙的量子态。这是我们小组正在积极探索的问题。”
林肯实验室量子网络团队成员包括（从左到右）约翰·卡明斯(John Cummings)、瑞安·墨菲(Ryan Murphy)、大卫·斯塔林(David Starling)、P·本·迪克森(P. Ben Dixon)、卡蒂亚·什特科娃(Katia Shtyrkova)、W·约翰·诺瓦克(W. John Nowak)、斯科特·汉密尔顿(Scott Hamilton)和埃里克·贝尔辛(Eric Bersin)。
正如汉密尔顿所解释的那样，如今的量子计算芯片大约包含几百个量子比特。但要制造一台全功能的量子计算机，需要数千甚至数十亿个量子比特，而量子计算机有望为人工智能、网络安全、医疗保健和制造业等应用领域释放出前所未有的计算能力。将这些芯片互联起来，制造一台大型计算机，可能是一条可行的前进之路。在传感方面，连接量子传感器以共享量子信息，可能会带来超越单个传感器的新功能和性能提升。例如，多个传感器之间共享的量子基准可用于更精确地定位射频发射源。太空和国防机构也有兴趣将相距甚远的量子传感器互连起来，用于卫星定位、导航和定时系统或卫星之间的原子钟网络。在通信方面，量子卫星可用作连接本地地面站的量子网络架构的一部分，从而创建一个真正的全球量子互联网。然而，量子系统无法与现有技术互联。如今用于在网络上传输信息和连接设备的通信系统依赖于测量比特的探测器和复制比特的放大器。这些技术无法在量子网络中使用，因为量子比特无法在不破坏量子态的情况下被测量或复制；量子比特存在于零与一之间的叠加态中，而经典比特则不同，它们处于零（关）或一（开）的固定态中。因此，研究人员一直在努力开发经典放大器的量子等价物，以克服传输和互连损耗——这些等价物被称为量子中继器，它们的工作原理与放大器类似，将传输距离分成更小、更易于管理的段，以减少损耗。“量子中继器是量子网络通过有损链路成功发送信息的关键技术，但目前还没有人制造出功能完备的量子中继器。”复杂性在于量子中继器的运行方式。量子中继器不是像经典中继器那样采用简单的“复制、粘贴”，而是利用一种奇怪的量子现象：纠缠。在量子纠缠中，无论两个粒子之间的距离有多远，它们都会在整个空间内紧密相连、相互关联。如果你知道纠缠对中一个粒子的状态，那么就会自动知道另一个粒子的状态。纠缠的量子比特可以作为量子隐形传态的资源，在隐形传态中，量子信息在遥远的系统之间发送，而无需移动实际的粒子；信息在一个位置消失、在另一个位置重新出现。隐形传态跳过了光纤电缆的物理旅程，因此消除了相关的信息丢失风险。量子中继器将一切联系在一起：它们能够端对端生成量子纠缠，并最终通过量子隐形传态实现量子比特的端对端传输。光学和量子通信技术小组的研究员本·迪克森(Ben Dixon)解释了这一过程的工作原理。“首先，你需要生成一对特定的纠缠量子比特（称为贝尔态），并将它们从不同方向通过网络链路传输到两个独立的量子中继器，由它们捕获并存储这些量子比特。然后，其中一个量子中继器会在传输和存储的量子比特与我们希望通过链路发送的任意量子比特之间进行双量子比特测量，以实现远程量子系统的互联。”“测量结果被传送到链路另一端的量子中继器；中继器利用这些结果将存储的贝尔态量子比特变成任意量子比特。最后，中继器可以将任意量子比特发送到量子系统中，从而将两个远程量子系统连接起来。”为了保留纠缠态，量子中继器需要一种存储它们的方法——实质上就是一种存储器。2020年，哈佛大学的合作者演示了在金刚石中的单个硅原子（被捕获在移除两个碳原子后留下的两个空位之间）中保持一个量子比特。金刚石中的这种硅“空位”中心是一种极具吸引力的量子存储器。与其他单个电子一样，硅原子上的最外层（价电子）可以向上或向下指向，类似于有南北两极的条形磁铁。电子指向的方向被称为自旋，自旋向上或自旋向下这两种可能的自旋状态类似于计算机用来表示、处理和存储信息的“1”和“0”。此外，硅的价电子可以用可见光操纵，在电子自旋状态下传输和存储光子量子比特。哈佛大学的研究人员正是这样做的；他们设计了一个光波导（一种将光引导到所需方向的结构），周围环绕着一个纳米光子光腔，使光子与硅原子发生强烈的相互作用，并将其量子态传递到硅原子上。麻省理工学院的合作者随后证明了这一基本功能可以在多个波导上发挥作用；他们设计了八个波导，并成功地在所有波导内产生了硅空位。此后，林肯实验室一直在应用量子工程技术来创建量子存储器模块，该模块配备了作为量子中继器运行的附加功能。这项工程工作包括现场定制金刚石生长（与量子信息和集成纳米系统小组合作）；开发可扩展的硅纳米光子集成器（一种融合光子和电子功能的芯片），以控制硅空位量子比特；以及将各组件集成并封装到一个系统中，该系统可冷却到长期存储所需的低温。目前的系统有两个存储模块，每个能容纳八个光比特。该研究小组已就其研究发表了两篇文章，一篇发表在《物理应用评论》上，另一篇发表在《自然·材料》上。
为了测试这些技术，研究小组一直在利用实验室租用的光纤试验台。该试验台有一条 50 公里长的电信网络光纤，目前连接着三个节点：林肯实验室到麻省理工学院校园，麻省理工学院校园到哈佛大学。作为波士顿地区量子网络(BARQNET)的一部分，当地的工业合作伙伴也可以利用这条光纤。发布在arXiv预印本服务器上的一篇文章对该网络进行了描述。
(a)连接列克星敦麻省理工学院林肯实验室、剑桥东部麻省理工学院和剑桥中部哈佛大学的BARQNET光纤示意图。红色实线表示已知确切路线的40千米路段，虚线表示无法获得确切路线的最终路段。(b-d)这项工作中探索的三种不同的连接拓扑结构。连接MIT-LL和MIT的两条共传播光纤分别标为A和B，连接MIT和哈佛的两条共传播光纤分别标为C和D。
汉密尔顿说：“我们的目标是将我们学术合作伙伴所做的最先进的研究成果转化为我们可以带出实验室的东西，通过真实的通道进行测试，并产生真实的损耗。所有这些基础设施对于进行基线实验，将纠缠接入光纤系统并在各方之间移动至关重要。”利用这个试验台，该团队与麻省理工学院和哈佛大学的研究人员合作，在世界上首次证明了纳米光子量子存储器与已部署的电信光纤之间的量子相互作用。利用位于哈佛大学的量子中继器，他们从实验室通过光纤发送编码了量子态的光子，并将其与捕获和存储传输量子态的硅空穴量子存储器连接起来。他们测量硅原子上的电子，以确定量子态转移到硅原子自旋上升或自旋下降位置的情况。迪克森说：“我们研究了我们的试验台在距离、效率（损耗误差）、保真度和可扩展性等相关量子中继器指标方面的性能，发现与世界上其他领先的努力相比，我们在所有这些指标方面都达到了最佳或接近最佳。”“我们的距离比其他任何人所展示的都要长；我们的效率还不错，而且我们认为可以通过优化试验台的一些组件来进一步提高效率；从存储器中读出的量子比特与我们发送的量子比特相匹配，保真度达到87.5%；金刚石具有固有的光刻图案可扩展性，你可以想象在一个小芯片上放置数千个量子比特。”目前，林肯实验室团队正专注于在每个节点上组合多个量子存储器，并将更多节点纳入量子网络试验台。这些进展将使团队能够在系统层面探索量子网络协议。他们还期待着哈佛大学和麻省理工学院的合作者正在进行的材料科学研究。这些研究可能会在金刚石中发现其他类型的原子，它们能够在稍高的温度下工作，从而实现更实用的操作。[1]https://www.ll.mit.edu/news/quantum-repeaters-use-defects-diamond-interconnect-quantum-systems[2]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.064028[3]https://arxiv.org/abs/2307.15696[4]https://www.nature.com/articles/s41563-023-01644-8每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！