研究人员找到了一种远距离连接量子设备的新方法，这是使该技术在未来通信系统中发挥作用的必要步骤。
虽然今天的经典数据信号可以在城市或海洋中被放大，但量子信号却不能。它们必须每隔一段时间重复一次——也就是说，被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，允许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8月30日发表在《自然》杂志上的一项名为“固态中单个铒离子的难以区分的电信波段光子”的新研究详细介绍了构建量子中继器的新方法的基础。它可以通过植入晶体中的单个离子发射出电信就绪光。据该研究的主要作者杰夫·汤普森(Jeff Thompson)说，这项工作已经进行了多年。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出可见光谱的光，这种光在光纤中衰减很快，在长距离传输之前必须进行转换。这种新装置是基于在宿主晶体中植入一个稀土离子。而且由于这种离子发出的光是理想的红外波长，它不需要这样的信号转换，这可以导致更简单、更健壮的网络。
该装置由两部分组成: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。用一种特殊的激光脉冲，离子通过晶体发出光。但是硅片，一个粘在晶体顶部的半导体，捕捉并引导单个光子进入光纤电缆。
汤普森说，理想情况下，这个光子将被来自离子的信息编码。或者更具体地说，从离子的量子特性称为自旋。在量子中继器中，收集和干扰来自远距离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。
汤普森的团队在几年前就开始研究铒离子，但最初的版本使用了不同的晶体，这些晶体含有太多的噪音。特别是，这种噪声导致发射光子的频率在一个被称为光谱扩散的过程中随机跳跃。这防止了运行量子网络所必需的微妙的量子干扰。
为了解决这个问题，他的实验室开始与电子和计算机工程副教授纳塔莉·德莱昂(Nathalie de Leon)和著名固态材料科学家、普林斯顿大学罗素·威尔曼·摩尔化学教授罗伯特·卡瓦(Robert Cava)合作，探索能够承载单铒离子、噪音更小的新材料。
他们将候选材料从数十万种筛选到几百种，然后是几十种，最后是三种。三名决赛选手都花了半年的时间进行测试。第一种材料被证明不够清晰。第二个原因是铒的量子特性很差。但是第三种，钨酸钙，刚好合适。
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，让光子随机通过两条路径中的一条:一条是几英尺长的短路径，或者一条是22英里长的长路径(由线轴光纤制成)。离子发射的光子可以走长路，也可以走短路，大约有一半的时间，连续的光子走相反的路，同时到达输出端。
当这样的碰撞发生时，量子干涉导致光子成对离开输出，当且仅当它们基本上不可区分——具有相同的形状和频率。否则，它们将单独离开干涉仪。
通过观察干涉仪输出中单个光子的强烈抑制(高达80%)，研究小组最终证明了新材料中的铒离子发射出无法区分的光子。研究负责人之一、研究生萨利姆·乌拉里(Salim Ourari)表示，这使得信号远远高于高保真阈值。
虽然这项工作跨越了一个重要的门槛，但还需要额外的工作来改善量子态在铒离子自旋中的存储时间。该团队目前正致力于制造更精细的钨酸钙，其中干扰量子自旋态的杂质更少。
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