最近IBM公司和哈佛大学取得量子计算领域的重大突破，在国际上引发轰动，但中国的一项重大突破却有些悄无声息。如果说IBM和哈佛的突破正在为构建通用量子计算机铺平道路的话，中国的突破则是为将这些量子计算机连接起来，构建量子互联网铺平了道路，所以这种悄无声息就显得非常奇怪，我们今天就来聊聊这究竟是怎么回事。

量子计算突破

首先我们还是要稍微回顾一下IBM和哈佛的突破。简单来说，IBM上月发布了世界上第一个超过1000量子比特的量子芯片，以及配备３个第三代量子芯片的世界上第一台模块化实用量子计算机，声称就像1950年代计算机诞生前一样，量子计算机也即将诞生，人类文明已再次处于大突破的巨变前夜。

而哈佛大学的突破更牛，量子计算机之所以迟迟无法突破，主要原因就在于量子比特太脆弱，容易崩溃，往往来不及做计算就退相干了，所以需要量子纠错，平均要1000多个硬件量子比特才能形成一个真正可用的物理逻辑量子位。而至少要几百个甚至几千个逻辑量子位的量子计算机，才能对人类文明产生颠覆性的影响，所以IBM的突破仍然任重道远，甚至根本难以实现，因为你要操作几百上千万个接近绝对零度的硬件量子比特，这难度和登天也差不离了。

但哈佛最牛的就是，他们仅仅用了280个物理量子比特，就构建了48个逻辑量子位，一下子就把登天变成了爬山，从没有什么希望变成了希望似乎就在眼前，通用量子计算机的构建真正看到了曙光。

光纤网络

但量子计算机即使能够实现，你很容易想到的就是，像我们现在的互联网一样，它们也需要联网才能发挥巨大的作用，你现在一台无法联网的计算机，包括我们的手机还有什么用呢？然而量子计算机要联网，却面临巨大的甚至不可逾越的鸿沟。

我们目前的互联网，是通过电线、光缆或卫星来连接的，简单来说，就是把电脑的电信号，通过电线、无线电进行传输，或转变为光信号通过光缆进行传输，到达另一台计算机后重新转为电信号进行处理。这个转换的过程就是调制和解调，把信号编码到电磁波、光波中，变成幅度、频率或相位的不同。

一说专业术语你可能就云里雾里，脑袋大了，现在我们用河流来做个比喻，调制就是我们在上游扰动波浪，让有些波浪高一点，有些低一点，或扰动快一点，慢一点，让波浪更密集或稀疏一些，或让有些波提前一些，有些波延后一些，这些高低、疏密、提前或延后，就承载了我们要传输的信号，到下游再根据这些不同的特征，把信号还原，也就是解调出来。

以前人们是用电线来传输信号，能够编码的信息不多，再加上容易受电阻、电容、电感、电磁干扰等因素的影响，导致信号失真，噪声增加，带宽有限，也就是承载的信号不多，比如早期互联网用电话线，只有5.6KB，传一张图片都是奢侈。随着激光技术的发展，现在人们已经普遍用光纤来传输了，由于光信号比电信号频率大得多，因而可以编码更多的信息，而且可以把不同波长的光在同一根光纤中传输，再加上光纤衰减小，不受电磁干扰，因而带宽比电线大得多。

同样用河流来比喻的话，那就是电线河波浪起伏较大，波浪很少，又只有河面可用，所以承载的信息不多，并且很容易受到各种因素的干扰而衰减，也就是说流着流着波浪就没了，信息自然也就消失了。而光纤河的波浪起伏不大，但非常密集，也就是说频率很高，同样宽的河面上可以承载大量信息，而且河面下还可以分很多层，每一层都可以承载信息，专业名词就叫波分复用技术，也就是同时传输不同波长的光，是光纤通信的核心技术，可以大大提高光纤的通信容量和效率，所以光纤带宽极大，还不容易受到干扰。

光纤中继

然而光纤再强悍，它还是要衰减。比如你用手电筒照天空，没多远就看不到亮光了，因为光子会被空气中的尘埃散射、折射。但你用激光射向天空的话，就可以照到更远的地方，不过可能还是无法穿透大气层。现在你用激光向光纤中照射，猜猜可以照到多远？光纤是极为纯净的玻璃纤维，即使用它做成1公里厚的窗户，你也能清晰地看到玻璃后面的东西，但如果有几百公里，激光也就没辙了，还是会衰减到无法传输信息的地步。

这时候我们就需要用一个中继器，把光信号转回数字或模拟信号，放大后再转为光信号，重新进入光纤传输。这就像在光纤河中，流着流着眼看波浪就要平了没了，这时候我们筑一道大坝，把水拦下来，记下波浪的特征，再重新放水造浪，把原来的波浪特征原封不动地加载上去，继续流向下一个中继站，最终建成了庞大的全球光纤网络。

巨大鸿沟

到这里你应该已经基本搞懂基于计算机的互联网信息传输基础机制了，下面我们就来啃基于量子计算机的量子互联网，为什么会面临巨大的甚至不可逾越的鸿沟。

互联网传输的是光信号，也就是编码到光子的幅度、频率或相位差异，这个已经有非常成熟的技术可以中继放大了。但量子互联网需要传输的是光子的量子态，极为脆弱，比如两个或多个光子的量子纠缠态，用光纤传输到100公里左右，就会损耗到无法使用的地步，所以也必须进行中继。然而如果把量子信号转换成电信号，再放大转回来继续传输，很明显量子态会马上消失，信息也就没了，所以传统中继器无法中继量子态。

那怎么办呢？这就要用到所谓的量子中继器了，量子中继器最关键的就是量子存储器，可以把纠缠光子的一半，转化为量子态存储起来，另一半光子则被发送到下一个节点，在两个节点之间创建纠缠态，经过纠缠交换后，再发送到下一个节点，所以量子中继器实际不是放大信号，而是把信号“缝合”到下一个节点，一个节点一个节点地缝合下去。

虽然量子纠缠是幽灵般的瞬间作用，不需要时间，但把纠缠的光子送到下一个节点，却需要光纤来传输，所以这里的关键，就是量子存储器，要把纠缠态存储足够长的时间，等到光子到达下一个节点后进行缝合。此前科学家们已发现，稀土元素铒的离子，与损耗最小的1536nm左右的电信波长光可以完美匹配，是制造量子存储器最有希望的候选者，然而铒离子的自旋寿命与光学寿命之比很小。此前的研究发现，其存储纠缠态的时间仅仅只有5纳秒，单光子态是50纳秒，远远低于我们需要的中继存储所需要的时间。

中国南京大学物理学院的研究人员，利用掺杂铒离子50ppm的正硅酸钇晶体（Y2SiO5）制作了量子存储器，并结合集成芯片上的新型纠缠光子源进行试验，结果表明，即使在将光子存储1936纳秒，也就是约2微秒后，晶体中的纠缠态仍然得以保留，达到了以前工作的387倍，为实用的大规模量子网络铺平了道路。

不过我算了一下，光纤中的光速为20万公里/秒，2微秒的时间，光子也只能前进400米，如果50公里设置一个节点的话，这个存储时间还是无法实现量子中继。然而此前已有研究表明，铒离子在高磁场中，具有1.3s的超精细相干时间，而且这个2 微秒，可以说是从零到一的突破，证明了找铒离子的路是对的，未来是不是可以顺理成章，实现更长的纠缠态存储时间呢？

所以这绝对是一个重大的进步，根据物理学家网（PHYS）的说法，这种既能在电信频率下产生高质量纠缠光子，又能在适合低成本批量生产的固态平台上存储纠缠态的能力令人振奋，是迈向实用设备的决定性一步。因为它建立了一个很有前景的构件，可以与现有的大规模光纤网络相结合，从而最终实现未来的量子互联网。

这项研究发表在12月7日《自然-通讯》上。

链接和参考：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42741-1

https://phys.org/news/2023-11-quantum-storage-entangled-photons-telecom.html