芝加哥大学教授突破量子计算机长距离连接

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的最新研究取得了突破性进展，该院助理教授钟天（音）及其团队通过理论创新，将量子计算机之间的最大连接距离提升至约2000公里（1243英里），打破了此前仅几公里的记录。这一成果为实现全球范围的量子互联网提供了关键技术支持。本报道所附图片由Jason Smith拍摄。

量子计算机因其强大的运算能力与极快的处理速度备受关注，但长期以来，在长距离通信方面一直面临挑战。此前，通过光纤电缆连接两台量子计算机的最远距离仅限于数公里。这意味着，即便在芝加哥市中心威利斯大厦与城南的芝加哥大学分子工程学院（UChicago PME）之间铺设光纤，两地的量子计算机也无法实现直接通信。

发表在《自然·通讯》上的这项研究，由钟天助理教授主导，从理论上将量子纠缠的有效传输距离延长至2000公里。按照这一模型，位于芝加哥大学的量子计算机将能够与远在犹他州盐湖城外的量子设备进行通信。

“这是首次在技术上证明，构建全球规模的量子互联网是可行的，”钟天表示。他因其在该领域的贡献荣获了著名的斯特杰斯奖。

构建高速、强大的量子网络，关键在于通过光纤实现原子间的量子纠缠。纠缠态原子保持量子相干性的时间越长，量子计算机之间的有效连接距离就越远。

钟天与芝加哥大学PME的研究团队在最新论文中报告，他们将单个铒原子的量子相干时间从0.1毫秒显著提升至超过10毫秒。在一次实验中，相干时间甚至达到24毫秒——理论上，这足以支持量子计算机在跨越4000公里的距离（相当于从芝加哥到哥伦比亚的Ocaña）内实现连接。

为实现这一突破，研究团队采用了分子束外延技术，而非传统的切克劳斯基法，来制备掺杂稀土元素的晶体。这种方法使他们能够以原子级的精度逐层构建出具有极长量子相干寿命的器件。

“传统制备这类材料的方式类似于大型熔炉，”钟天解释道，“需要按比例混合原料，在超过2000摄氏度的高温下熔化，再缓慢冷却以形成晶体。随后，像雕塑家雕琢大理石一样，通过化学蚀刻将晶体‘雕刻’成所需形状。”

而分子束外延技术则更接近3D打印的过程：通过逐层沉积原子，精确地构建出目标晶体结构。“我们是从无到有，逐个原子地组装这个器件，”钟天说，“这种方法制备出的材料纯度和质量极高，从而使其中原子的量子相干特性得到显著提升。”

尽管分子束外延技术本身并非全新，但将其应用于制备此类掺杂稀土的量子材料尚属首次。钟天团队与材料合成专家、PME助理教授杨硕龙合作，成功实现了这一技术适配。

未参与此项研究的量子科学领域国际权威专家、瑞士洛桑联邦理工学院教授胡格斯·德·里德马滕评价道：“这项工作中展示的方法极具创新性。它表明，通过自下而上、高度可控的纳米制造方法，可以获得具有出色光学与自旋相干性的单稀土离子量子比特，并能在光纤兼容的器件架构中实现长寿命的自旋-光子接口。这是一个重要的进展，为规模化生产可网络化的量子比特开辟了一条前景广阔的路径。”

接下来，钟天团队将验证所延长的相干时间是否真能实现量子计算机的长距离连接。“在真正铺设从芝加哥到纽约的光纤之前，我们将在实验室内进行模拟测试，”钟天介绍道。

他们计划通过约1000公里长的光纤，连接实验室中两台分别位于不同稀释制冷机内的量子比特。这将是迈向实用化的重要一步。“我们正在搭建第三台制冷机。待全部就绪后，将在实验室内构建一个局域网，模拟未来长距离量子网络的运行环境，”钟天表示，“这是实现真正量子互联网宏伟目标中的一个里程碑，而我们正一步步向前推进。”