量子连接距离大幅提升200倍

此前，两台量子计算机通过光纤电缆的连接距离仅为数公里。这一限制意味着，芝加哥大学南区校园的量子系统无法与威利斯大厦的量子系统通信，尽管两者位于同一城市——现有技术难以跨越这样的距离。

11月6日，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）助理教授钟天在《自然·通讯》发表的新研究表明，这一距离限制可大幅突破。他的团队研究显示，量子连接理论上可延伸至2000公里（1243英里）。借助这种方法，曾经连威利斯大厦都难以连接的芝加哥大学量子计算机，未来或许能与犹他州盐湖城郊外的设备通信。

钟天表示：'构建全球量子互联网的技术首次触手可及。'他近期凭借这项研究荣获了颇具声望的斯特奇奖。

为何量子相干性至关重要？要构建高性能量子网络，研究人员必须使原子发生纠缠，并在信号通过光纤传输时维持这种纠缠状态。纠缠原子的相干时间（即原子保持纠缠状态的时间）越长，相连的量子计算机就能相距越远。

在这项新研究中，钟天团队成功将单个铒原子的相干时间从0.1毫秒提升至10毫秒以上。在一项实验中，他们甚至实现了24毫秒的相干时间。在理想条件下，这一改进有望实现约4000公里外量子计算机的通信——相当于芝加哥大学普利兹克分子工程学院与哥伦比亚奥卡尼亚之间的距离。

研究团队并未使用陌生或奇特的材料，而是重新构想了材料的制备方式。他们采用分子束外延（MBE）方法替代传统的直拉法，来制备量子纠缠所需的稀土掺杂晶体。

钟天在谈及直拉法时表示：'传统制备这种材料的方式本质上就像一口熔炉。你按正确比例加入原料，然后将所有物质熔化，温度超过2000摄氏度，再缓慢冷却形成晶体材料。'之后，研究人员通过化学方法切割冷却后的晶体，将其加工成可用组件。钟天将此过程比作雕塑家凿刻大理石，直至呈现最终形态。

MBE则基于截然不同的理念，它类似于原子尺度的3D打印。该过程将晶体逐层铺设成极薄的薄膜，最终形成设备所需的精确结构。'我们从零开始，逐个原子组装设备。这种材料的质量和纯度极高，使得这些原子的量子相干性能变得非常优异。'钟天说。

尽管MBE已应用于材料科学的其他领域，但此前从未用于此类稀土掺杂材料。在该项目中，钟天与材料合成专家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授杨硕龙合作，对MBE方法进行了适配，以满足研究需求。

光子科学研究所的休格斯·德·里德马滕教授（未参与此项研究）认为，该成果是重要的一步。他表示：'论文中展示的方法极具创新性。它表明，自下而上、可控的纳米制造方法能够制备出具有优异光学和自旋相干性能的单稀土离子量子比特，从而实现长寿命的自旋-光子接口（发射电信波长光），且整个设备架构与光纤兼容。这是一项重大进展，为可控地制备大量可联网量子比特提供了有趣的可扩展途径。'

该项目的下一阶段是验证，在理论模型之外，提升后的相干时间是否真能支持远距离量子通信。钟天说：'在实际铺设从芝加哥到纽约的光纤之前，我们将先在实验室内部进行测试。'团队计划在钟天的实验室里，用1000公里长的盘绕光纤连接分别置于两台稀释制冷机（'冰箱'）中的量子比特。这一步将帮助他们在扩大规模前，验证系统是否符合预期。

'我们正在实验室里建造第三台冰箱。全部就绪后，它们将组成一个本地网络，我们会先在实验室进行本地实验，模拟未来长距离网络的运行情况。'钟天表示，'这都是构建真正量子互联网这一宏伟目标的一部分，我们正朝着这个目标又迈出了一个里程碑。'