使量子计算机运转的物理学对干扰非常敏感。目前，这意味着这些计算机难以像传统计算机那样远距离共享数据，其中中间计算可能会从一个服务器传递到该国另一端的另一台服务器。但为了推动量子分布式计算，科学家们开发了一种“量子中继器”，可以帮助通过当今电信公司使用的光纤电缆连接此类计算机。一项新的研究发现，这将允许量子计算机相隔数十公里，理论上相距数百公里，而无需卫星链路。

量子物理学使一种称为纠缠的奇怪现象成为可能。从本质上讲，无论相距多远，两个或多个粒子（例如光子）相互连接或“纠缠”理论上都可以相互影响。纠缠对于量子计算机的工作至关重要，理论上它可以解决传统计算机无法解决的问题。

量子网络可以连接量子计算机，还有助于实现受理论上的防黑客量子加密保护的消息的量子通信。此外，它们还可以帮助极其精确的量子传感器以阵列形式连接在一起，从而在多种应用中实现更高的精度，例如帮助探测隐藏的地下资源和采矿和军事结构。

“作为一名科学家，我个人对传感应用以及它们可以为我们周围的世界提供哪些见解更感兴趣，”该研究的资深作者、奥地利因斯布鲁克大学的量子物理学家 Ben Lanyon 说。

光纤支持更大的带宽；体验更少的延迟，因为它可以直接连接两点而不需要信号从卫星反弹；因斯布鲁克大学的本·兰永 (Ben Lanyon) 解释说，它不易受到阳光和天气噪音的影响。

量子网络项目的资金量正在缓慢增长。例如，量子互联网联盟于 2022 年启动了一项为期七年的计划，旨在在欧洲建立创新的量子互联网生态系统，其第一阶段的预算为 2400 万欧元（约合 2600 万美元）。此外，美国能源部在2021 年宣布将投入 600 万美元用于开发发送和接收量子网络流量的新设备，并进一步投入 2500 万美元用于开发区域规模的量子网络试验台。量子互联网初创公司也在获得资金——例如，纽约石溪大学的衍生公司 Qunnect在 2022 年筹集了 850 万美元的 A 轮融资。

此前的研究表明，卫星可以帮助在相距 1000 多公里的地面站之间传输量子信号。然而，出于与绝大多数现代互联网流量通过光纤而不是卫星运行的许多相同原因，科学家们也希望建立基于光纤的量子网络。光纤支持更大的带宽；体验更少的延迟，因为它可以直接连接两点而不需要信号从卫星反弹；Lanyon 解释说，并且不易受到来自阳光和天气的噪音的影响。

尽管如此，在长距离上，光子在光纤中丢失的可能性会增加。为了克服这个问题，科学家们一直在寻求创造量子中继器，这种设备可以作为发射器和接收器之间的中间中继节点，帮助量子信号传得更远。第一个量子中继器蓝图是在 25 年前开发的。

此前，Lanyon 和他的同事使用光纤帮助保持两个离子在230 米的距离上纠缠在一起。现在他们建造了一个量子中继器，可以帮助量子信号跨越 50 公里。此外，这些发现表明，这些设备的链条可以帮助量子信号传播 10 倍以上的距离，这是现实世界中实际量子网络所需的那种长度。

理想情况下，科学家们指出量子中继器应该具备三个关键能力。首先，他们应该使用标准的电信波长光子，与其他波长相比，这种光子在沿着光纤传播时损失更少。其次，它们应该拥有量子存储器，可以帮助中继器存储然后中继纠缠数据的设备。第三，中继器应该证明能够以一种可预测的方式在网络中的节点之间交换这些数据，而不是太容易受到变化无常的机会的影响。

研究人员现在首次开发出一种将所有这些功能集成在一个系统中的量子中继器。“之前已经单独展示了一个完全成熟的量子中继器节点的各个部分，但它们并没有全部组合在一起，”Lanyon 说。

其中一个新的中继器拥有一对钙离子，该离子被捕获在用作两个量子存储器的离子阱中。当被紫色激光脉冲照射时，它们各自发射一个与其离子保持纠缠的光子。然后，另一个设备将这些光子中的每一个转换为1,550 纳米的电信波长光。然后一个光子沿着 25 公里长的光纤线轴发送到一个节点，而另一个光子则通过另一个线轴被引导到另一个节点。然后，中继器交换离子的纠缠数据，使光子及其节点在 50 公里的组合距离内发生纠缠。

科学家们发现中继器可以帮助以每秒 9.2 个的速度传输纠缠光子。相比之下，在实验中，他们在没有中继器的情况下，将纠缠光子从一个点直接传输到另一个点，跨越 50 公里，达到了每秒 6.7 个左右的速率。尽管中继器在 50 公里处可能只提供很小的优势，但研究人员计算出，如果没有中继器，传输速率在 100 公里以上的距离会显着下降。

此外，Lanyon 和他的同事计算出，通过微小的调整，在一个链中使用 17 个该中继器副本可以将纠缠光子传输 800 公里的距离，尽管传输速率会下降十倍。“为了让原子在不同的国家纠缠在一起，这个系统不必改进那么多，”Lanyon 说。

Lanyon 指出，尽管俘获离子提供了当今对光和物质的量子态最精确的控制，但离子阱目前“相当大且笨重”。他说，其他人研究了基于固态系统的量子中继器，例如氮空位中心——具有缺陷的微型人造金刚石，其中碳原子被氮原子取代，并且相邻的碳原子缺失。

然而，虽然固态量子中继器可能被证明更加精简和可扩展，但目前“固态系统实现的量子控制水平不在离子水平，”Lanyon 说。“最好的办法是继续为未来的量子技术开发和探索一系列不同的系统，甚至可能将它们最好的部分结合在一起。”

未来，除了建立中继器链外，科学家们还想尝试并行发送大量光子。“这种‘多模’量子网络是未来可以实现加速的地方，”Lanyon 说。科学家们在 5 月 22 日的《物理评论快报》杂志上详细介绍了他们的发现。