近一年前，亚马逊网络服务（AWS）宣布与哈佛大学合作测试和开发量子网络。今年六月下旬，AWS 开放了实验室，让包括《流行科学》在内的媒体一窥其量子中继器的早期模型。量子中继器类似于经典的放大器，可以传输光信号穿越长距离的光纤。
AWS 量子网络中心负责人 Antia Lamas-Linares 表示：“我们正在开发量子网络技术。这些技术尚未完全成熟。”“许多已经在学术实验室部分演示过的技术，仍然需要大量的开发才能实现我们所说的‘成熟的量子网络’。”
那么，这种技术有什么用呢？量子网络可用于在无需第三方的情况下分发加密密钥，或创建匿名的多用户广播。
制造量子网络的挑战
在量子网络中，与经典比特（只能是 0 或 1，关或开）不同，存在量子比特，或称“qubit”，它们可以同时处于 0 和 1 的叠加态。计算机科学家可以将这些量子比特纠缠起来，并利用它们的量子特性执行经典方法难以、资源密集或不可能完成的计算。
但是，与经典系统类似，要构建网络，团队需要能够生成量子比特，并将它们传输和存储起来。AWS 量子研究科学家 Nicholas Mondrik 解释说，传输量子比特的一个非常好的方法是使用光子，也就是光粒子。光子传输效果好，而且“通过一点点巧妙的设计，你就可以将量子比特编码到光子中。”
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光已经在经典光纤系统中用于长距离传输信息。这种方法的难点在于，大约 62 英里（约 100 公里）后，信号就会开始衰减。这时就需要光放大器。它们可以检测到光信号变弱时，并在将其送入下一段光纤之前进行放大。然而，Mondrik 说，用于传输光信号的光放大器和其他设备会迫使光子在 0 或 1 之间做出选择，而这个选择会破坏光子携带的量子信息。
AWS 一直在打磨的关键创新之一是量子信号放大器的量子等效物，称为量子中继器。
钻石是量子研究人员最好的朋友
为了制造量子中继器，他们首先需要找到制造量子内存的方法——一种能够存储量子比特的设备。这样，它可以捕获传入的光子，对其进行处理，然后再将其发送出去。解决方案是：合成的“量子级”钻石。
Lamas-Linares 说：“在钻石的结构中，有时会出现缺陷。有时会出现不透明的、带有颜色和色调的钻石。这些被称为色心，是钻石中的杂质。”“事实证明，这些杂质就像一个人工原子，你可以用它们来存储光子的状态。这些有趣的颜色使我们能够与光进行交互，存储飞行中的量子比特的状态并对其进行操作。”
使钻石适合存储光子的方法是首先创建“硅空位”。为此，研究人员会取一个尽可能纯碳的钻石，然后用硅原子轰击碳晶格。这些硅原子会击出几个碳原子，取而代之，并作为钻石晶格中的固定原子，通过电子与光子量子比特相互作用。
为了将光子引导到硅原子上的电子，研究人员在硅空位周围构建了纳米腔，这些纳米腔基本上就像一套镜子，将光引导到需要去的地方。
为了使这个过程能够进行，团队需要阻止钻石结构振动；他们通过将其冷却到接近绝对零度来实现这一点。他们使用的设备是与用于超导量子计算机的吊灯式稀释制冷机-真空-热屏蔽组合相同的设备。但这个基础设施明显更小（大约只有一半大小），而且尾部连接方式也完全不同。
Mondrik 说：“这就是硅空位，也就是这个钻石内存所在的地方。”“为了使硅空位作为量子内存、作为量子比特工作，你需要将其置于强大的可调磁场中。”因此，吊灯的底部有额外的结构，可以在外部安装热屏蔽之前连接一个超导磁铁。
还有一个压电堆栈，帮助研究人员控制方向；一条微波线，帮助他们操纵量子比特；一根光纤，将光导入钻石腔；以及一个从吊灯底部延伸到顶部的显微成像系统，让研究人员能够看到他们正在做什么。
但并非所有的科学研究都在稀释制冷机中进行。实验室周围还设有室温工作区，用于制造、测量和表征量子比特。
就目前而言，将所有不同组件组合在一起的装置看起来像是电线、金属和透镜的复杂组合。但最终，团队希望将这项技术压缩成一个单一的、可适应的硬件，可以拖放并集成到任何类型的量子计算设备上。
