在量子通信领域，量子比特传输的信息很脆弱容易失真。科学家们正利用钻石中的缺陷来构建一种量子中继器，这种中继器能弥合量子系统之间的差距，允许进行更可靠的数据传输。它们的工作方式是通过将传输距离划分为更小、更易于管理的段，来减少信息损耗。这种通过有损链路存储和传输量子信息的技术可以为可扩展的量子网络提供基础。

量子中继器是量子网络通过有损链路成功发送信息的关键技术，但还没有人制造出功能齐全的量子中继器。其复杂性在于量子中继器的工作原理：它不像经典中继器那样采用简单的“复制和粘贴”，而是利用一种称为量子纠缠的奇怪现象来工作。纠缠的粒子在空间上会变得相互关联，且无论它们之间的距离有多远。量子中继器使量子纠缠的端到端生成成为可能，并最终能通过量子隐形传态实现量子比特的端到端传输。

麻省理工学院林肯实验室光学和量子通信技术小组的研究员Ben Dixon解释说：“首先，你需要生成一对特定的纠缠量子比特(即贝尔态)，并通过网络链路将它们以不同的方向传输到两个独立的量子中继器，这两个中继器会捕获并存储这些量子比特。然后，在其中一个量子中继器传输和存储的量子比特和我们希望通过链路发送的任意量子比特间进行双量子比特测量，以便互连远程量子系统。测量结果会被传送到链路另一端的量子中继器，中继器会利用这些结果将存储的贝尔态量子比特转换为任意量子比特。最后，中继器可以将任意量子比特发送到量子系统中，从而实现连接两个远程量子系统。”

为了保留纠缠态，量子中继器需要一种存储它们的方法。此前，哈佛大学的研究人员演示了在金刚石的单个硅原子中保存量子比特。与其他单个电子一样，硅原子上最外层的电子可以指向上或下，电子指向的方向被称为自旋，因此自旋可以分为向上自旋或向下自旋，它类似于计算机用来表示、处理和存储信息的1和0。此外，硅最外层的电子可以用可见光操纵，以转移和存储电子自旋态的光子量子比特。哈佛大学的研究人员正是这样做的，他们图案化了一个由纳米光子光学腔包围的光波导，并使光子与硅原子强烈相互作用，从而将其量子态赋予硅原子。

林肯实验室的研究人员随后演示了这种基本功能可以与多个波导一起使用，他们绘制了八个波导图案，并成功地在其中产生了硅空位。此后，林肯实验室一直在应用量子工程来创建量子存储模块，该模块具有作为量子中继器运行的附加功能。这项工程工作包括现场定制金刚石生长，开发可扩展的硅纳米光子中介层(一种融合了光子和电子功能的芯片)来控制硅空位量子比特，并将组件集成和封装到一个系统中，该系统可以冷却到进行长期存储所需的低温。他们当前的系统有两个存储模块，每个模块能够容纳八个光学量子比特。

为了测试这些技术，该团队一直在利用实验室租用的光纤测试台。该测试平台具有50公里长的电信网络光纤，它目前连接了三个节点：林肯实验室到麻省理工学院校园以及麻省理工学院校园到哈佛大学。利用这个测试台，该团队与麻省理工学院和哈佛大学的研究人员合作，实现了世界首次在部署的电信光纤上演示基于纳米光子量子存储器的量子相互作用。通过位于哈佛大学的量子中继器，他们从实验室通过光纤发送了用量子态编码的光子，并将它们与捕获和存储传输量子态的硅空位量子存储器连接起来。然后，他们测量了硅原子上的电子，以确定量子态转移到硅原子的自旋方向。

Dixon说：“我们研究了距离、效率(损耗误差)、保真度和可扩展性等相关量子中继器指标，我们发现与世界上其他领先的工作相比，我们在所有这些指标上都取得了最佳或接近最佳的成绩。我们的距离比其他研究小组的都要长，而且效率不错。而且还可以通过优化我们的一些测试台组件来进一步提高它，从存储器中读取的量子比特与我们发送的量子比特的匹配保真度为87.5%，并且金刚石具有固有的光刻图案可扩展性，你可以想象能将数千个量子比特放在一个小芯片上。”

林肯实验室团队现在专注于在每个节点上组合多个量子存储器，并将其他节点整合到量子网络测试台中。这些进步将使团队能够在系统级别探索量子网络协议。他们还期待着哈佛大学和麻省理工学院的研究人员正合作进行的材料科学研究，这些研究有望确定金刚石中能够在稍高温度下工作的其他类型的原子，以便进行更实际的操作。(编译：Qtech)