研究人员找到了一种长距离连接量子设备的新方法，这是让该技术在未来通信系统中发挥作用的必要一步。
虽然当今的经典数据信号可以在城市或海洋中放大，但量子信号却不能。它们必须间隔重复——也就是说，由称为量子中继器的专门机器停止、复制和传递。许多专家认为，这些量子中继器将在未来的通信网络中发挥关键作用，从而增强安全性并实现远程量子计算机之间的连接。
普林斯顿大学的研究于 8 月 30 日发表在《自然》杂志上，详细介绍了构建量子中继器的新方法的基础。它发送从植入晶体中的单个离子发出的电信就绪光。该研究的主要作者杰夫·汤普森表示，这项工作已经酝酿多年。这项工作结合了光子设计和材料科学的进步。
其他领先的量子中继器设计发射可见光谱中的光，这些光在光纤上会迅速降解，并且必须在长距离传输之前进行转换。新设备基于注入主晶体中的单一稀土离子。而且由于这种离子以理想的红外波长发射光，因此不需要这种信号转换，这可以导致更简单、更稳健的网络。
该装置由两部分组成：仅掺杂少量铒离子的钨酸钙晶体，以及蚀刻成 J 形通道的纳米级硅片。在特殊激光的脉冲作用下，离子通过晶体发射光。但是硅片，即粘在晶体顶部的半导体鞭子，捕获单个光子并将其引导到光纤电缆中。
汤普森说，理想情况下，该光子将用来自离子的信息进行编码。或者更具体地说，来自称为自旋的离子的量子特性。在量子中继器中，收集和干扰来自遥远节点的信号会在它们的自旋之间产生纠缠，从而允许量子态的端到端传输，尽管沿途会有损失。
汤普森的团队几年前首次开始研究铒离子，但第一个版本使用了不同的晶体，这些晶体含有太多噪音。特别是，这种噪声导致发射光子的频率在称为光谱扩散的过程中随机跳跃。这阻止了运行量子网络所需的微妙的量子干涉。为了解决这个问题，他的实验室开始与电气和计算机工程副教授 Nathalie de Leon 以及领先的固态材料科学家、普林斯顿大学 Russell Wellman Moore 化学教授 Robert Cava 合作，探索可以容纳单分子的新材料。铒离子的噪音要小得多。
他们将候选材料清单从几十万份筛选到几百份，然后是几十份，然后是三份。三名决赛入围者均花费了半年的时间进行测试。第一份材料结果不够清晰。第二个原因导致铒的量子特性较差。但第三种，钨酸钙，恰到好处。
为了证明这种新材料适用于量子网络，研究人员建造了一个干涉仪，其中光子随机通过两条路径之一：一条几英尺长的短路径，或一条 22 英里长的长路径(由卷轴光学制成)纤维)。从离子发射的光子可以走长路径或短路径，大约一半的时间，连续的光子走相反的路径，并同时到达输出。
当发生这种碰撞时，量子干涉会导致光子成对地输出，当且仅当它们基本上无法区分时——具有相同的形状和频率。否则，他们会单独离开干涉仪。通过观察干涉仪输出中单个光子的强烈抑制(高达 80%)，该团队最终证明了新材料中的铒离子发射出难以区分的光子。共同领导这项研究的研究生 Salim Ourari 表示，这使得信号远高于高保真阈值。
虽然这项工作跨越了一个重要的阈值，但还需要额外的工作来改善铒离子自旋中量子态的存储时间。该团队目前正在致力于制造更精炼的钨酸钙，以减少干扰量子自旋态的杂质。
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