一种新的无线链路有助于远距离连接量子计算机，同时开放光纤网络无法使用的波长。

这听起来可能令人惊讶，但构建量子网络时最棘手的问题之一就是电缆会碍事。

光纤电缆——承载当今大部分互联网流量的同一种技术——能够长距离传输脆弱的量子信息。但它们需要实体基础设施，并且被设计为在特定的电信波长下工作效果最佳。

这就产生了一个问题，因为量子技术可以在其他波长下运行，而量子信号非常脆弱，光纤中的损耗和中断会限制它们能够传输的距离。

现在，布鲁克海文国家实验室和石溪大学的研究人员展示了另一条路线。

他们让光的量子态穿过开阔空气传输了13英里（21公里），这是美国首次此类演示，并为美国最长的量子网络增加了一个无线组件，该网络已经跨越161英里并连接了八个节点。

通过天空发送量子信号

在8月21日的白天演示中，石溪大学量子瞭望塔的研究人员使用激光产生了每次仅包含少量光子的量子态。该设施位于纽约州石溪市的石溪大学健康科学中心楼顶。

这些光子从一根直径仅5微米的光纤中射出，不到人类头发宽度的十分之一。随后，它们穿过大气层传播了13英里，到达纽约州厄普顿的布鲁克海文量子灯塔，在那里，一台超快相机在它们进入另一根微小光纤时探测到了它们。

传统无线技术不是一个选项。射频噪声太大，无法保存这些光子携带的脆弱量子信息，因此研究人员转而使用光。

然而，通过大气发送光带来了另一个问题，即湍流可能扭曲其路径，并可能扰乱量子信息。

该团队借鉴了天文学的专业知识，使用望远镜技术和自适应光学来补偿大气湍流，并精确收集和控制光线。

“人们认为望远镜是仰望太空的工具，但让天文学家能够精确收集和控制光的同样技术，对这些量子实验也至关重要。”研究人员之一、布鲁克海文实验室（BNL）科学家贾斯汀·豪普特说。

研究人员还不得不建造专门的屋顶设施，并整合他们的光学器件、控制系统、通信设备、量子源和探测器，使相隔21公里的设备能够作为一个实验运行。

更大的测试涉及纠缠光子

白天的实验证明了光的量子态可以穿过新的自由空间光（FSO）链路。随后，研究人员转向了一项涉及纠缠光子的更苛刻测试。

在夜间测试中，背景光较低，他们通过光纤将纠缠光子从石溪物理实验室发送到量子瞭望塔。然后，这些光子被分发到开放空气链路上，并在量子灯塔被成功接收和测量。

纠缠光子具有即使粒子相隔很远也保持关联的量子特性。这使它们有望用于未来的安全通信、量子传感以及连接量子计算机的网络。

“在我们的长距离光纤网络中，我们经常传输纠缠光子对。然而，这种光纤网络仅限于使用电信波长。”研究人员之一、石溪大学量子研究所所长埃登·菲格罗亚说。

“在我们新的量子无线链路中，我们正在探索使用量子处理器及相关技术固有的红外波长。这将为远距离创建纠缠原子系统提供一条直接途径。”菲格罗亚补充说。

从长岛到轨道

新的FSO连接并非旨在取代光纤。相反，它可以帮助量子网络到达难以用传统电缆连接的地方和设备。

它还让研究人员能够使用商业电信光纤所青睐波长之外的波长，从而可能更容易连接在不同波长下运行的量子处理器和其他技术。

下一段扩展已经在开发中。位于康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学的第三个FSO设施已经建成，而石溪-耶鲁之间的连接仍在开发中。

一旦投入运行，它将允许研究人员跨越长岛海峡发送30英里（48公里）的纠缠光子。

研究人员最终设想利用FSO网络连接布鲁克海文和石溪的量子计算机，使它们能够共同解决单台机器可能难以解决的问题。

长期目标是通过地球大气层将量子信息发送到卫星，从而有可能在没有大量地面电信基础设施的情况下连接偏远地区。

类似实验已经表明，光子可以从飞机传输到地面站，这指向了移动和基于卫星的量子网络。

“将卫星纳入网络有助于将安全量子通信带到农村或偏远地区，而只需最少的地面电信基础设施，从而将量子网络从区域网络转变为全球网络。”研究人员之一、BNL科学家加布里埃拉·卡里尼说。

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