2026年9月23日——我们不断向彼此发送信息，通过一个由互联计算机和设备构成的庞大网络传输着0和1。科学家们如今正试图将这种熟悉的互联网概念扩展到量子领域，寻找一种高效方式来交换量子信息而非经典信息，交换量子比特而非比特。其背后的动机不仅仅是纯粹的科学好奇心。量子比特为信息处理开辟了新的可能性，因为它们既可以是0，也可以是1，还可以是两者的任意叠加态。它们还能发生纠缠，展现出经典比特完全无法企及的相关性程度。

实现量子互联网的一个关键要素是量子中继器，这是一种旨在长距离分发纠缠的架构。而量子中继器又需要量子存储器，能够长时间保持量子态，长到足以在不同网络段之间同步测量并成功建立纠缠。

ICFO研究人员Alberto Rodríguez Moldes、Félicien Appas博士、Jonathan Hänni、Jelena Rakonjac博士和Samuele Grandi博士，在ICREA教授Hugues de Riedmatten的领导下，现已在此方向上迈出了重要一步。通过实施所谓的自旋重相位协议，他们证明固态量子存储器——因其已证实的高效率、存储纠缠的能力以及多路复用特性，成为构建量子网络的有前景的候选方案——能够以比以往更长时间存储单光子。这些成果发表在Physical Review Letters上，并在量子互联网联盟（QIA）框架内获得，使人们离量子互联网更近了一步。

退相位，存储光子时的主要障碍

在已报道的实验中，研究团队首先产生了一对纠缠光子。一个具有电信波长，与用于长距离分发的光纤兼容；另一个则与量子存储器兼容，该存储器是一块掺杂镨离子的晶体，在低温恒温器中冷却至3开尔文。在那里，成熟的原子频率梳（AFC）协议得以实施。

在AFC中，晶体中的原子集体吸收入射光子，其中一个原子被激发到更高能级，产生一种在所有原子之间离域化的原子激发。在它们能够自然重新发射光子之前，一个光学控制脉冲将集体激发转移到自旋态，这是一个不发射光的能级，从而有效地暂停发射并存储光子。第二个控制脉冲随后使系综回到激发态，触发发射一个携带与原始光子相同信息的光子。

问题在于，在实践中，集体激发无法无限期地保持在自旋态中。由于每个离子的晶体环境略有不同，初始叠加态会发生退相位，失去其相干性。如果存储时间过长，发射光子的量子特性就会退化，信息也会在过程中丢失。

用于存储量子相关单光子的自旋重相位协议

这正是自旋重相位发挥作用之处，这是一种抵消此类退相干效应的机制。它包括发送一系列射频脉冲，在特定时间后翻转每个离子所累积的相位。然后，只需等待相同的时间，使新累积的相位补偿已被翻转的相位，从而有效地恢复集体自旋激发。

因此，研究团队发送了多个射频脉冲，以精确控制这种“翻转”和“等待”何时能够真正使集体激发重相位。此时，他们发送第二个控制脉冲，并对量子存储器进行读出。ICFO研究人员由此成功将单光子存储长达180微秒（这是该类存储器报道的最长时间），相当于超过30公里的等效光纤链路距离。“未来，通过对量子存储器施加小的磁场，将可以实现更长的存储时间，”文章第一作者Alberto Rodríguez Moldes说。

重要的是，研究人员使用量子光进行了实验，并证明在自旋重相位量子存储器与电信光子之间存在量子相关性。“自旋重相位过去已在经典输入态中得到证明，但我们的结果表明它可以扩展到量子光，”该研究资深研究员、ICREA教授Hugues de Riedmatten解释道。“我们的方案由此确立了掺镨量子存储器作为可扩展实现量子网络的主要候选方案的地位。”