世界在等待量子技術。量子計算有望解決當前或經典計算無法解決的複雜問題。量子網絡對於實現量子計算的全部潛力、突破我們對自然的理解以及改善日常生活的應用至關重要。
但要使其成為現實，需要開發利用當前計算機技術和現有基礎設施的精確量子計算機和可靠的量子網絡。
最近，作為一種潛力的證明和邁向功能性量子網絡的第一步，伊利諾州快速量子網絡 (IEQNET) 的一個研究團隊成功地在美國能源部 (DOE) 的兩個實驗室之間使用本地光纖部署了一個長距離量子網絡。該實驗標誌著量子編碼光子（傳遞量子信息的粒子）和經典信號首次以前所未有的同步水平在大城域距離同時傳遞。
為了測試兩個「時鐘」的同步性——一個在阿貢，一個在費米實驗室——科學家們在兩個時鐘之間同時傳輸了一個經典時鐘信號（藍色）和一個量子信號（橙色）。這些信號是通過伊利諾伊快遞量子網絡發送的。研究人員發現，兩個時鐘在小於5皮秒或5萬億分之一秒的時間內保持同步。（圖源：Lee Turman，阿貢國家實驗室）
IEQNET的合作夥伴包括美國能源部的費米國家加速器和阿貢國家實驗室、西北大學和加州理工學院。他們的成功部分源於其成員涵蓋的計算架構的廣度，從經典和量子到混合。
「兩個國家實驗室相距50公里，在具有這種共享技術能力和專業知識的量子網絡上開展工作，並非易事，」費米實驗室量子科學項目負責人、該項目的首席研究員Panagiotis Spentzouris表示，「您需要一支多元化的團隊來解決這個非常困難和複雜的問題。」
他們共同表明，量子和經典信號有可能在同一個網絡光纖上共存並實現同步，無論是在城域距離還是在現實世界的條件下。
研究人員指出，經典計算網絡已經足夠複雜。將量子網絡的挑戰引入混合中會大大改變遊戲規則。
當經典計算機需要執行同步操作和功能時，例如安全和計算加速所需的那些，它們依賴於一種被稱為「網絡時間協議 (NTP) 」的東西。該協議在承載信息的同一網絡上分發時鐘信號，其精度比眨眼的速度快一百萬倍。
使用量子計算，所需的精度甚至更高。想像一下經典的NTP是一名奧運選手；量子計算的時鐘是閃電俠，漫畫書和電影中的超快超級英雄。
為了確保他們得到一對糾纏的光子——從遠處相互影響的能力——研究人員必須產生大量的量子編碼光子。同時，知道哪些光子對是糾纏在一起的，就是同步性的來源。
研究團隊使用類似的定時信號來同步費米實驗室-阿貢網絡中每個目的地或節點的時鐘。
精密電子設備用於根據已知因素（例如距離、速度，以及溫度變化或振動在內的光纖中環境干擾）調整此定時信號。
由於他們在兩個實驗室之間只有兩條光纖，研究人員不得不在攜帶糾纏光子的同一根光纖上發送時鐘信號。將時鐘與量子信號分開的方法是使用不同的波長，但這也帶來了自身的挑戰。
「為量子和經典同步信號選擇合適的波長對於最大限度地減少影響量子信息的干擾非常重要，」阿貢計算機科學家和項目團隊成員Rajkumar Kettimuthu表示，「一個類比可能是光纖是道路，波長是車道。光子是騎自行車的人，時鐘是卡車。如果我們不小心，卡車可能會駛入自行車道。因此，我們進行了大量實驗，以確保卡車保持在其車道上。」
最終，兩者都得到了適當的分配和控制，定時信號和光子從費米實驗室的源頭分發。當光子到達每個位置時，使用阿貢的超導納米線單光子探測器進行測量和記錄。
「我們使用現成的技術展示了創紀錄的同步水平，該技術依賴於編碼到光上的射頻信號，」加州理工學院研究員兼IEQNET團隊成員Raju Valivarthi說道，「我們在加州理工學院構建並測試了該系統，IEQNET實驗證明了它在連接兩個主要國家實驗室的真實光纖網絡中的準備情況和能力。」
該網絡的同步非常精確，位於兩地的時鐘僅有5皮秒的時間差；一皮秒就是萬億分之一秒。
這種精度將使科學家能夠準確地識別和操縱糾纏的光子對，以支持在現實世界條件下城域距離的量子網絡操作。基於這一成就，IEQNET團隊正準備進行實驗來演示糾纏交換。這個過程使來自不同糾纏對的光子之間產生糾纏，從而產生更長的量子通信通道。
「這是首次在真實條件下展示使用真實光纖來實現這種卓越的同步精度以及與量子信息共存的能力，」Spentzouris表示，「這一創紀錄的性能是構建實用多節點量子網絡的重要一步。」
該項目由美國能源部科學辦公室高級科學計算研究計劃資助。
阿貢國家實驗室尋求解決緊迫的國家科學技術問題。作為美國第一個國家實驗室，阿貢在幾乎所有科學學科中開展前沿的基礎和應用科學研究。阿貢的研究人員與來自數百家公司、大學以及聯邦、州和市政機構的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學領導力，並為國家更美好的未來做好準備。阿貢擁有來自60多個國家的員工，由UChicago Argonne, LLC為美國能源部科學辦公室管理。
美國能源部科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力於解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰。
C114通信網 余予