这项突破性进展有望将量子计算机的连接距离扩大200倍。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）助理教授田忠（Tian Zhong）的最新研究有望使量子计算机之间的连接距离达到2000公里（1243英里），打破以往的记录，并使量子互联网的实现比以往任何时候都更加接近现实。

量子计算机功能强大、速度极快，但众所周知，它们很难远距离相互连接。

此前，两台量子计算机通过光纤电缆连接的最大距离只有几公里。这意味着，即使在芝加哥大学南校区和芝加哥市中心威利斯大厦之间铺设了光纤电缆，两台量子计算机之间的距离也太远，无法相互通信。

今天发表在《自然通讯》上的一项研究来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）助理教授田忠，该研究理论上可以将这一最大值扩展到 2,000 公里（1,243 英里）。

凭借钟教授的方法，之前无法连接到威利斯大厦的芝加哥大学量子计算机现在可以与犹他州盐湖城外的量子计算机连接和通信。

“构建全球规模的量子互联网的技术首次触手可及，”钟说，他最近因这项工作获得了著名的斯特奇奖。

将量子计算机连接起来，构建强大的高速量子网络，需要通过光纤电缆将原子纠缠在一起。这些纠缠原子保持量子相干性的时间越长，量子计算机之间的连接距离就越远。

在最新发表的论文中，钟及其芝加哥大学PME团队将单个铒原子的量子相干时间从0.1毫秒提高到10毫秒以上。他们甚至在一次实验中实现了长达24毫秒的相干时间，理论上这将使量子计算机能够在惊人的4000公里（芝加哥大学PME到哥伦比亚奥卡尼亚的距离）之间进行连接。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究团队没有采用传统的提拉法，而是利用分子束外延（MBE）技术制备稀土掺杂晶体，从而逐个原子地构建出具有极长量子相干性的组件。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/Jason Smith

同样的材料，不同的制作方法

创新之处不在于使用新的或不同的材料，而在于以不同的方式构建相同的材料。他们使用一种称为分子束外延（MBE）的技术，而不是传统的提拉法，来制造产生量子纠缠所需的稀土掺杂晶体。

钟先生谈到直拉法时说：“这种材料的传统制备方法本质上就是用熔炉。你把各种原料按比例倒入熔炉，然后全部熔化。温度会升至2000摄氏度以上，然后慢慢冷却，最终形成晶体。”

为了将晶体加工成计算机元件，研究人员会用化学方法将其“雕刻”成所需的形状。这类似于雕塑家挑选一块大理石板，然后凿去所有不属于雕像的部分。

然而，MBE 更像是 3D 打印。它通过喷涂一层又一层薄膜，逐步构建所需的晶体，最终形成精确的最终形状。

“我们从零开始，然后一个原子一个原子地组装这个装置，”钟说。“这种材料的质量或纯度非常高，以至于这些原子的量子相干特性非常出色。”

虽然分子束外延（MBE）技术已为人熟知，但此前从未用于制备这种稀土掺杂材料。钟及其团队与芝加哥大学材料与机械工程系（PME）材料合成专家杨硕龙助理教授合作，对MBE技术进行了改进，使其适用于此目的。

钟教授团队的下一步工作是测试量子相干时间的提升是否能使量子计算机实现远距离连接。

“这表明，自下而上、可控性良好的纳米加工方法可以实现具有优异光学和自旋相干特性的单个稀土离子量子比特，从而形成寿命长的自旋光子界面，并在电信波长范围内发射光子，所有这些都集成在光纤兼容的器件架构中。这是一项重大进展，为以可控的方式生产大量可联网量子比特提供了一条令人感兴趣的可扩展途径。”

窗体底端

下一步

接下来，钟和他的团队将测试增加的相干时间是否能够使量子计算机远距离相互连接。

钟说：“在我们真正从芝加哥到纽约部署光纤之前，我们会在我的实验室里进行测试。”

这涉及到将位于芝加哥大学PME学院钟教授实验室的两个独立的稀释制冷机（“制冷机”）中的两个量子比特通过1000公里长的卷绕电缆连接起来。这是后续步骤，但远非最终步骤。

“我们现在正在我的实验室里建造第三台冰箱。所有设备组装完毕后，将形成一个本地网络。我们将首先在我的实验室里进行本地实验，模拟未来远程网络的运行模式，”钟教授说。“这一切都是为了实现构建真正的量子互联网这一宏伟目标，而我们正在朝着这个目标迈出又一个里程碑。”