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经过几十年的小型化，我们所依赖的计算机和现代技术所依赖的电子元件现在已达到基本极限，面对这一挑战，世界各地的工程师和科学家正在转向一种全新的范式：量子信息技术。量子技术利用了在原子水平上支配粒子的奇怪规则，通常被认为过于微妙，不能与我们每天在手机、笔记本电脑和汽车中使用的电子产品共存。
然而，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们宣布了一项重大突破：量子态可以集成并控制在由碳化硅制成的常用电子设备中。芝加哥大学分子工程的刘家族教授，也是量子技术的先驱，首席研究员大卫·奥沙勒姆(David Awschalom)说：在商业电子中创造和控制高性能量子位的能力令人惊讶。
这些发现改变了我们对发展量子技术的看法，也许可以找到一种方法，利用当今的电子学来建造量子设备。在《科学》与《科学进展》期刊上发表的两篇研究论文中，Awschalom的研究小组，证明了他们可以对嵌入在碳化硅中的量子态进行电控制。这一突破可能会提供一种更容易设计和建造量子电子的方法。PIC18F8680-I/PT
与科学家通常需要用于量子实验的奇异材料形成对比，比如超导金属、悬浮原子或钻石。碳化硅中的这些量子态还有一个额外好处，那就是发射出波长接近电信波段的单个光粒子。阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)资深科学家、芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)主任奥沙洛姆(Awschalom)说：这使得它们非常适合通过相同的光纤网络进行远程传输，该网络已经传输了全球90%的国际数据。此外，当这些轻粒子与现有的电子器件结合时，可以获得令人兴奋的新性质。PIC18F8680-I/PT
例如，在发表在《科学进展》期刊上的论文中，该团队能够创造出Awschalom所称的“量子调频收音机”；就像音乐被传输到你的汽车收音机一样，量子信息可以被发送到极远的距离。论文的第一作者，研究生凯文·苗(Kevin Miao)说：所有的理论都表明，为了在一种材料中实现良好的量子控制，它应该是纯净的，没有波动场，结果表明PIC18F8680-I/PT，通过适当的设计，一种设备不仅可以减少这些杂质，而且还可以创造出以前不可能实现的额外控制形式。在发表在《科学》期刊上的研究论文中，他们描述了第二个突破，解决了量子技术中一个非常常见的问题：
噪音。该论文的第一作者、研究生克里斯·安德森(Chris Anderson)表示：杂质在所有半导体器件中都很常见，在量子层面上，这些杂质可以通过制造嘈杂的电子环境来扰乱量子信息，对于量子技术来说，这几乎是一个普遍存在的问题。但是，通过使用电子学的基本元素之一的二极管，即电子的单向开关，研究小组发现了另一个意想不到的结果：量子信号突然变得没有噪音，几乎完全稳定。论文的另一位合著者、研究生亚历山大·布拉萨(Alexandre Bourassa)说：在实验中需要使用激光，不幸的是，这会让电子相互碰撞。
这就像是电子和音乐椅的游戏；当光线熄灭时，一切都停止了，但配置不同了。问题是，这种随机的电子构型会影响量子态。但发现，施加电场会将电子从系统中移除，使系统更加稳定。通过将量子力学的奇异物理与发达的经典半导体技术相结合，研究团队正在为即将到来的量子技术革命铺平道路。这项研究使我们离实现能够在世界各地的光纤网络中，存储和分发量子信息的系统又近了一步。这样的量子网络将带来一类新技术，能创建不可窃听的通信信道，单电子态的隐形传态和量子互联网的实现。
编者按：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：阳光，36氪经授权发布。
量子互联网可以用来发送不可破解的信息，提高 GPS 系统的精度，并支持基于云的量子计算。二十多年来，由于很难在没有损失的情况下通过远距离发送量子信号，创建这样一个量子网络的梦想在很大程度上一直遥不可及。
现在，哈佛大学和麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法，用一个可以捕获、存储和纠缠量子信息比特的原型量子节点来校正信号丢失。这项成果 3 月 23 日在线发表在《自然》杂志上。
这项研究填补了通向实用量子互联网的缺失环节，也是长距离量子网络发展的重要一步。PIC18F8680-I/PT
哈佛量子计划联合主任、George Vasmer-Leverett 物理学教授 Mikhail Lukin 表示：“该成果是一项概念性的突破，可以扩展量子网络的最长范围，并有可能以任何现有技术都无法实现的方式实现许多新应用。这是我们的量子科学和工程界超过二十年的目标的实现。”
安全传输的量子技术
从第一台电报机到今天的光纤互联网，每一种通信技术都必须解决信号在远距离传输时的退化和丢失问题。
第一批中继器是在 19 世纪中期发展起来的，用来接收和放大信号以弥补这种损失。200 年后，中继器已成为我们远程通信基础设施不可或缺的一部分。
在经典网络中，如果纽约的 Alice 想向加利福尼亚的 Bob 发送一条消息，那么这个信息在一条直线上从一个海岸传递到另一个海岸。在此过程中，信号通过中继器，在中继器中被读取、放大并校正错误。整个过程中也十分容易受到攻击。
但是，如果 Alice 想发送量子消息，过程则有所不同。量子网络使用光的量子粒子 - 单个光子 - 来远距离传输光的量子态。这些网络具有经典系统所没有的技巧：纠缠。
纠缠被爱因斯坦称为 “远距离的恐怖行为”，可使信息的比特在任何距离上都完美关联。由于不改变就无法观察到量子系统，因此 Alice 可以使用纠缠向 Bob 发送消息，而不必担心窃听者。
这一概念是应用量子密码术的基础，量子物理学定律保证了安全性。
量子通讯存在难题
然而，远距离的量子通信也受到常规光子损耗的影响，这是实现大规模量子互联网的主要障碍之一。但是，量子通信超安全的物理原理也使得不可能使用现有的经典中继器来修复信息丢失。
如果看不到信号，该如何放大和校正信号呢？这个看似不可能的难题，意味着需要一个所谓的量子中继器。
本质上来讲，量子中继器是一种小型的专用量子计算机。在这样一个网络的每个阶段，量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子比特以纠正错误，并将其存储足够长的时间，以便网络的其余部分准备就绪。
到目前为止，由于两个方面的原因导致这是不可能的：
第一，单光子很难捕获。
第二，众所周知，量子信息非常脆弱，因此长时间处理和存储非常具有挑战性。
硅空位色心弥补缺陷
哈佛大学 Lukin 实验室与麻省理工学院（MIT）电子研究实验室一直致力于利用一种能很好地完成这两项任务的系统——金刚石中的硅空位色心（silicon-vacancy color centers）。
这些中心是钻石原子结构中的微小缺陷，可以吸收和辐射光，从而产生钻石的鲜艳色彩。
Lukin 研究组的研究生 Mihir Bhaskar 表示：“在过去的几年中，我们实验室一直在努力理解和控制各个硅空位色心，特别是如何将它们用作单光子的量子存储设备。”
研究人员将 一个单独的色心整合到了纳米金刚石腔中，从而限制了承载信息的光子，并迫使它们与单个色心相互作用。然后，他们将该装置放置在温度接近绝对零度的冰箱中，并通过光纤电缆将单个光子送入冰箱，在那里它们被色心有效捕获和捕获。
结果表明，该装置可以存储毫秒级的量子信息足够长的时间，以将信息传输数千公里之外。
纳米级光学实验室的研究生 Bart Machielse 说：“该装置结合了量子中继器的三个最重要的元素，较长的存储时间、有效地从光子中捕获信息的能力，以及就地进行处理的方式。这些挑战中的每一个问题之前都得到了单独解决，但是没有一个设备将这三个问题结合在一起。”
研究人员表示，“当前，我们正通过在真实的城市光纤链路中部署量子存储器来扩展这项研究。我们计划创建纠缠大型量子存储器网络，并探索量子互联网的首次应用。”
Lukin 说：“这是首次系统级演示，结合了纳米制造、光子学和量子控制方面的重大进展，显示了在使用量子中继器节点进行信息传输方面的明显量子优势。我们期待着开始探索使用这些技术的独特新应用。”
