在芝加哥，量子合作展示了通過部署的電信光纖向功能性遠端量子網絡邁出的第一步，為可擴充的量子計算打開了大門。
世界在等待量子技術，量子計算有望解決目前經典計算無法解決的複雜問題，量子網絡對于實作量子計算的全部潛力至關重要，它使我們能夠突破對自然的了解，以及改善日常生活的應用。
但要使其成為現實，需要開發精确的量子計算機和可靠的量子網絡，利用目前的計算機技術和現有的基礎設施。
最近，作為一種潛力證明和邁向功能性量子網絡的第一步，伊利諾伊快速量子網絡（IEQNET）的一個研究團隊，在美國能源部（DOE）的兩個實驗室之間使用本地光纖成功部署了一個長距離的量子網絡。
該實驗标志着量子編碼光子(量子資訊傳遞的粒子)和經典信号第一次以前所未有的同步水準在大都市尺度的距離上同時傳遞。
IEQNET的合作包括DOE的費米國家加速器實驗室和阿貢國家實驗室、西北大學和加州理工學院，實驗的成功部分源于其成員涵蓋計算架構的廣度，從經典和量子到混合計算。
費米實驗室量子科學項目負責人、該項目的首席研究員Panagiotis Spentzouris說：“讓兩個相距50公裡的國家實驗室，以這種共享的技術能力和專業知識來研究量子網絡，這不是一件小事，需要一個多元化的團隊來解決這個非常困難和複雜的問題。”
而對于這個團隊來說，同步化被證明是需要馴服的野獸。他們共同表明，量子和經典信号有可能在同一網絡光纖上共存并實作同步，無論是在大都市的距離還是在現實世界的條件下。
量子網絡是一大挑戰
研究人員指出，傳統的計算網絡已經足夠複雜，引入量子網絡這一挑戰，将極大地改變遊戲規則。
當傳統計算機需要執行同步操作和函數時，比如安全性和計算加速所需的操作和函數，它們依賴于“網絡時間協定”，該協定在攜帶資訊的同一網絡上配置設定一個時鐘信号，其精度比一眨眼的時間快一百萬倍。
而量子計算則要求更高的精度，為了確定他們得到一對糾纏在一起的光子，研究人員必須産生大量的量子編碼光子，知道哪些光子對是糾纏在一起的，就是同步性的展現，該團隊使用類似的時鐘信号來同步整個費米實驗室-阿貢網絡中每個目的地或節點的時鐘。
精密電子裝置根據已知因素（如距離、速度、環境幹擾、溫度變化或振動等）來調整這個時鐘信号。
由于他們在兩個實驗室之間隻有兩條光纖，研究人員必須在攜帶糾纏光子的同一根光纖上發送時鐘信号，使用不同的波長将時鐘信号與量子信号分開。
Argonne計算機科學家和項目團隊成員Rajkumar Kettimuthu表示，為量子和經典同步信号選擇合适的波長對于最小化影響量子資訊的幹擾非常重要，打個比方，光纖是道路，波長是車道，光子是自行車，時鐘是卡車。如果我們不小心，卡車就會穿過自行車道。是以，我們進行了大量的實驗，以確定卡車保持在車道上。
最終，通過适當配置設定和控制，時鐘信号和光子從費米實驗室的源分發，當光子到達每個地點時，使用阿貢的超導納米線單光子探測器進行測量和記錄。
加州理工學院研究員和IEQNET團隊成員Raju Valivarthi說:“我們利用現成的技術，利用編碼到光上的無線電頻率信号，展示了創紀錄的同步水準，我們在加州理工學院建構并測試了該系統，IEQNET實驗證明了，它在連接配接兩個主要國家實驗室的真實光纖網絡中已經準備就緒并具有能力。”
時間差僅為5萬億分之一秒
該網絡的同步非常精确，每個地點的時鐘隻有5皮秒的時間差（1皮秒是一萬億分之一秒）。
這樣的精度将使科學家們能夠準确地識别和操縱糾纏的光子對，以支援現實世界中大都市距離的量子網絡操作，在這一成就的基礎上，IEQNET團隊正準備新的實驗來證明糾纏交換，這個過程可以使來自不同糾纏對的光子間糾纏，進而創造更長的量子通信通道。
Spentzouris說:“這是首次在真實條件下，示範使用真實光纖來實作這種極佳的同步精度以及與量子資訊共存的能力，這一創紀錄的性能是建設實用多節點量子網絡的重要一步。”
該項目通過美國能源部科學辦公室的先進科學計算研究計劃資助。
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https://chicagoquantum.org/news/quantum-network-between-two-national-labs-achieves-record-synch