使硅空位中心在量子网络中实用化的新突破

量子网络是一项有望在光网络上实现防篡改通信的技术。具有硅空位中心的合成钻石芯片是量子网络的有前景技术，因为它们是天然的光发射器，且体积小、呈固态，相对容易大规模制造。但这些芯片存在一个严重缺陷：它们倾向于发射不同频率的光，这使得交换量子信息变得困难。

去年，某中心量子计算中心成员与哈佛大学、汉堡大学、汉堡超快成像中心和耶路撒冷希伯来大学的同事合作，展示了一种有望克服该缺陷的技术。他们将在《物理评论快报》上发表题为"可区分量子发射器的光学纠缠"的论文。

量子网络是什么？

量子网络是一种技术，允许通过光纤使用单光子发送量子比特。最初对其感兴趣是因为通过在这些用户之间发送量子比特，可以以安全的方式生成加密密钥。

随着通过这些网络获得更高带宽和吞吐量，可以实现非常酷的应用。例如，假设某机构拥有量子计算机，而您没有，您希望在某机构的量子计算机上运行计算，但不想透露实际使用的数据或运行的程序。

如果计算机可以连接到量子网络，在您这边不需要太多特殊硬件的情况下，实际上可以发送程序和数据，让某机构执行它们然后返回结果，并保证没有人查看您正在做的任何内容。

新技术解决的关键问题

目前硅空位中心的问题之一是它们不如人们使用的其他量子网络硬件均匀。如果有一个由这些中心组成的大型网络，希望它们之间通过光进行通信。关于硅空位中心（实际上是晶体中大多数缺陷中心）的一个事实是，一个硅原子发射的光波长并不总是另一个缺陷可以接收的，因此在匹配不同比特时遇到困难。这一直是实际构建这些网络的主要障碍。

开发的新方法使发射不同波长的硅空位能够相互通信。该方法基于90年代的一个思想实验——Elitzur-Vaidman炸弹测试器。其动机思想是：某处可能有一个炸弹，它非常敏感，即使使用单个光粒子击中它，也会引爆。因此希望在不使用任何光击中的情况下测试它是否存在。

实际上存在一种量子力学方法来检查是否有物体在某个位置阻挡光线，而无需任何光与之相互作用，这相当令人难以置信。

技术实现原理

使用一种称为干涉仪的装置。取一束激光，将其分成两条路径，然后在稍后点重新组合。在重新组合的地方放置分束器——一个半透明镜，有时让光通过，有时将其反射90度。

因此光可以有两个输出方向。但如果两条路径长度相同，当光束到达分束器时，它们在一个方向上相互抵消，只从另一个方向出来。

奇怪的量子力学部分是：即使激光一次只发送单个光子——一次只有一个光粒子——这些粒子仍然表现相同。它们可以分裂然后与自己干涉，即使一次只有一个光子。

如果发送一个单光子，该光子从不应出现的端口出来，就知道干涉仪的一条路径被阻挡了。能够检测到有东西阻挡了其中一条路径，而无需光子实际撞击它。

在研究人员对Elitzur-Vaidman炸弹测试器的变体中，不是让光走两条不同路径，而是在频率上分裂它。可以构建一个干涉仪，其中光不是走两条路径，而是变成两种不同频率，然后在中心重新组合。

安全通信的实现

有两个空位中心，根据它们的状态，它们将阻挡光或让光通过。以这两种频率发送光，然后组合它们。

如果两个空位都让光通过，则两条路径干涉，在组合频率处没有光出来。如果两个空位都阻挡光，在组合频率处也没有光出来。但如果一个让光通过，一个阻挡光，那么在中心频率处确实有光出来。

因此，如果在组合频率处获得光，就知道一个在阻挡，一个不在阻挡——但不知道具体是哪一个。该过程在两个空位之间产生量子纠缠。现在可以使用一个与您通信，另一个与我通信。

对于单量子比特，如果测量它们，通常会改变它们。因此如果有窃听者，他们将改变发送的比特。可以说：“这是我的信息统计，这是你的信息统计。“如果中间方是敌对的——如果他们违反规则，只是查看信息然后计算东西——他们将无法将此统计推高超过某个阈值。因此只要该数字高于阈值，就知道他们没有作弊，信息是安全的。