世界在等待量子技术。量子计算有望解决当前或经典计算无法解决的复杂问题。量子网络对于实现量子计算的全部潜力、突破我们对自然的理解以及改善日常生活的应用至关重要。
但要使其成为现实，需要开发利用当前计算机技术和现有基础设施的精确量子计算机和可靠的量子网络。
最近，作为一种潜力的证明和迈向功能性量子网络的第一步，伊利诺伊州快速量子网络 (IEQNET) 的一个研究团队成功地在美国能源部 (DOE) 的两个实验室之间使用本地光纤部署了一个长距离量子网络。该实验标志着量子编码光子(传递量子信息的粒子)和经典信号首次以前所未有的同步水平在大城域距离同时传递。
为了测试两个“时钟”的同步性——一个在阿贡，一个在费米实验室——科学家们在两个时钟之间同时传输了一个经典时钟信号(蓝色)和一个量子信号(橙色)。这些信号是通过伊利诺伊快递量子网络发送的。研究人员发现，两个时钟在小于5皮秒或5万亿分之一秒的时间内保持同步。(图源：Lee Turman，阿贡国家实验室)
IEQNET的合作伙伴包括美国能源部的费米国家加速器和阿贡国家实验室、西北大学和加州理工学院。他们的成功部分源于其成员涵盖的计算架构的广度，从经典和量子到混合。
“两个国家实验室相距50公里，在具有这种共享技术能力和专业知识的量子网络上开展工作，并非易事，”费米实验室量子科学项目负责人、该项目的首席研究员Panagiotis Spentzouris表示，“您需要一支多元化的团队来解决这个非常困难和复杂的问题。”
他们共同表明，量子和经典信号有可能在同一个网络光纤上共存并实现同步，无论是在城域距离还是在现实世界的条件下。
研究人员指出，经典计算网络已经足够复杂。将量子网络的挑战引入混合中会大大改变游戏规则。
当经典计算机需要执行同步操作和功能时，例如安全和计算加速所需的那些，它们依赖于一种被称为“网络时间协议 (NTP) ”的东西。该协议在承载信息的同一网络上分发时钟信号，其精度比眨眼的速度快一百万倍。
使用量子计算，所需的精度甚至更高。想象一下经典的NTP是一名奥运选手;量子计算的时钟是闪电侠，漫画书和电影中的超快超级英雄。
为了确保他们得到一对纠缠的光子——从远处相互影响的能力——研究人员必须产生大量的量子编码光子。同时，知道哪些光子对是纠缠在一起的，就是同步性的来源。
研究团队使用类似的定时信号来同步费米实验室-阿贡网络中每个目的地或节点的时钟。
精密电子设备用于根据已知因素(例如距离、速度，以及温度变化或振动在内的光纤中环境干扰)调整此定时信号。
由于他们在两个实验室之间只有两条光纤，研究人员不得不在携带纠缠光子的同一根光纤上发送时钟信号。将时钟与量子信号分开的方法是使用不同的波长，但这也带来了自身的挑战。
“为量子和经典同步信号选择合适的波长对于最大限度地减少影响量子信息的干扰非常重要，”阿贡计算机科学家和项目团队成员Rajkumar Kettimuthu表示，“一个类比可能是光纤是道路，波长是车道。光子是骑自行车的人，时钟是卡车。如果我们不小心，卡车可能会驶入自行车道。因此，我们进行了大量实验，以确保卡车保持在其车道上。”
最终，两者都得到了适当的分配和控制，定时信号和光子从费米实验室的源头分发。当光子到达每个位置时，使用阿贡的超导纳米线单光子探测器进行测量和记录。
“我们使用现成的技术展示了创纪录的同步水平，该技术依赖于编码到光上的射频信号，”加州理工学院研究员兼IEQNET团队成员Raju Valivarthi说道，“我们在加州理工学院构建并测试了该系统，IEQNET实验证明了它在连接两个主要国家实验室的真实光纤网络中的准备情况和能力。”
该网络的同步非常精确，位于两地的时钟仅有5皮秒的时间差;一皮秒就是万亿分之一秒。
这种精度将使科学家能够准确地识别和操纵纠缠的光子对，以支持在现实世界条件下城域距离的量子网络操作。基于这一成就，IEQNET团队正准备进行实验来演示纠缠交换。这个过程使来自不同纠缠对的光子之间产生纠缠，从而产生更长的量子通信通道。
“这是首次在真实条件下展示使用真实光纤来实现这种卓越的同步精度以及与量子信息共存的能力，”Spentzouris表示，“这一创纪录的性能是构建实用多节点量子网络的重要一步。”
该项目由美国能源部科学办公室高级科学计算研究计划资助。
阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题。作为美国第一个国家实验室，阿贡在几乎所有科学学科中开展前沿的基础和应用科学研究。阿贡的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，帮助他们解决具体问题，提升美国的科学领导力，并为国家更美好的未来做好准备。阿贡拥有来自60多个国家的员工，由UChicago Argonne, LLC为美国能源部科学办公室管理。
美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。(余予)
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