图片来源：Nicolás Castañeda / University of Oxford
量子网络有一个看似矛盾的工程难题：最适合与光连接的量子比特，未必最适合长时间保存信息；最稳定的量子存储，又未必擅长把信息送到远处。
牛津大学物理系团队用两种原子离子分工解决了这个问题。他们让锶-88 离子负责通过光子和光纤建立远程纠缠，再把纠缠转移给同一节点内更稳定的钙-43 离子。实验不仅形成了跨两个节点、涉及两到四个量子比特的混合物种纠缠态，还把远程纠缠的存储时间从毫秒级延长到约 10 秒。
相关论文《Multipartite Mixed-Species Entanglement over a Quantum Network》于 10 月 13 日发表于《Physical Review Letters》。论文称，约 10 秒的存储时间超过生成该纠缠态所需平均时间的 100 倍。
真正重要的并不是数字从毫秒变成了 10 秒，而是研究人员把量子网络中的“通信接口”和“内存”拆给了不同物理系统，让每种原子只承担自己更擅长的任务。
这项实验到底做了什么
牛津团队搭建了两个被称为 Alice 和 Bob 的离子阱节点，节点之间通过数米长的光纤连接。每个节点都包含两类带电原子：一个锶-88 离子和一个钙-43 离子。
系统按以下顺序工作：
- 同步激光脉冲激发两个节点中的锶离子；
- 锶离子各自发射一个与自身量子状态关联的光子；
- 光子进入光纤，并在中间的分束器网络中发生干涉；
- 探测器捕捉到特定的同时点击事件后，确认两个远端锶离子已经建立纠缠；
- 每个节点再通过本地的混合物种量子逻辑门，把部分或全部纠缠转移到钙离子上。
光子适合传输，因为它们能在光纤中高速传播且较少与环境相互作用；被困在真空系统中的离子则适合保存和处理量子信息。锶离子位于二者之间：它能够有效地产生与光子的纠缠，是网络的接口；钙离子则更像节点内部的处理器和内存。
为什么不能只用一种原子
单一原子类型通常很难同时满足联网、运算和长期存储的全部要求。
锶-88 离子的能级结构适合生成光子并建立远程连接，但团队用于联网的锶量子态对磁场波动较敏感。实验室中极小的环境扰动，也会使量子态之间的相位关系逐渐丢失，导致退相干。
钙-43 离子拥有一对对磁场噪声更不敏感的“时钟态”。把远程纠缠从锶离子映射到钙离子后，网络连接的量子信息就能被放进更安静的存储空间。
这与经典计算机把网络接口、运算和存储交给不同硬件的思路类似。网卡负责收发数据，处理器负责计算，内存负责保存状态。量子系统当然不能直接复制经典架构，但“按功能选择不同物理载体”的模块化原则相通。
论文第一作者 Dougal Main 将这种方法概括为：不同类型的原子各有优势和局限，把多种原子放在同一量子计算系统中，可以分别利用它们最擅长的能力。
突破不只是 10 秒，还有四量子比特纠缠
媒体标题容易把注意力集中在“10 秒”，但论文同时展示了另一项重要能力：在远程网络中控制多粒子、混合物种的纠缠。
团队先建立两个锶离子之间的远程纠缠，再利用每个节点内部的逻辑门，把纠缠扩展至钙离子。他们由此构建了锶—钙、钙—钙的远程纠缠态，以及最多包含四个物质量子比特的混合物种 Greenberger–Horne–Zeilinger（GHZ）态。
两粒子纠缠可以形成一条量子链路；多粒子纠缠则让多个节点或节点内不同功能的量子比特共享一个整体状态。这是分布式量子算法、纠缠蒸馏、量子纠错和多点量子传感需要的基础资源。
这项结果的组合意义在于，团队不只是建立了一个能保存较久的远程量子态，也展示了这个状态可以在不同原子之间被操控和扩展。量子网络需要的不是静态“连接成功”，而是在连接建立后继续执行逻辑操作。
10 秒为什么对量子网络很长
日常尺度下，10 秒并不长；对需要反复尝试建立纠缠、确认成功、执行本地门操作并协调远端节点的量子网络而言，10 秒却提供了很大的操作窗口。
远程纠缠通常是概率性过程。系统发射光子后，并非每次都能得到代表成功的探测事件。网络因此需要一边保存已经得到的纠缠，一边继续为其他链路进行尝试。如果第一个量子态在第二条链路成功前就退相干，多节点网络便难以扩展。
本次实验中，远程纠缠存储时间约为状态创建时间的 100 倍以上。这意味着系统理论上有更多时间完成状态确认、本地处理、网络调度和后续纠缠操作。
更长的量子记忆也是量子中继器的重要条件。长距离光纤会产生光子损耗，未来的量子网络需要把一条长链路拆成多个较短区段，分别建立纠缠，再进行纠缠交换。每个中间节点都必须在等待其他区段完成时保存已有状态。
它可能支持哪些应用
分布式量子计算
单个量子处理器的规模受到离子控制、布线、激光寻址、冷却和误差管理等限制。把多个较小处理器通过光纤连接，可以像经典超级计算机由许多计算节点组成一样，把任务分布到多个量子模块。
牛津团队此前已在同一类双节点系统上演示跨光学链路的分布式量子计算。此次工作进一步增加了多粒子纠缠和长时间保存能力，但距离容错级、可扩展的分布式量子计算机仍有很长距离。
网络化量子传感
多个远端传感器共享纠缠态后，可以协同测量非常微弱的时间、频率、磁场或重力变化。相较彼此独立的传感器，纠缠网络有机会突破标准量子极限，提高整体测量灵敏度。
原子钟比较与同步
不同地点的光学原子钟若通过纠缠连接，可以进行更精密的频率比较。相关技术可用于时间标准同步、相对论效应测量、精密大地测量，以及探索基础物理现象。
牛津团队已经用早期系统演示过两个相距约两米的锶离子光学钟网络。混合物种方案让网络接口、存储和时钟功能有机会进一步组合。
量子通信与隐私计算
长寿命量子记忆能够为量子密钥分发、盲量子计算和量子中继提供缓冲。牛津团队此前也在该平台上研究了基于贝尔定理验证的量子密钥分发，以及可验证盲量子计算。
这还不是可以跨城市运行的“量子互联网”
理解这项成果时，需要区分实验能力和工程化网络。
首先，实验中的两个节点只相隔数米，而不是城市级或洲际距离。光纤距离增加后，光子损耗、频率转换、同步精度和干涉稳定性都会变得更困难。
其次，10 秒指的是特定实验条件下远程纠缠记忆的存储尺度，不等于整个量子计算机可以无误差运行 10 秒，也不代表所有量子态都达到同样寿命。
第三，纠缠不能用于超光速传递信息。它提供的是跨节点共享的量子关联，实际通信仍需要经典信道完成结果交换和协议协调。
最后，四个物质量子比特距离实用计算规模仍非常小。未来系统还需要同时提高纠缠生成率、保真度、存储寿命、节点数量、光纤距离和操作自动化水平，并与量子纠错结合。
真正的路线变化：量子计算机可能由专用模块组成
这项研究最值得关注的方向，是量子硬件未必需要寻找一种“包办所有任务”的完美量子比特。
通信量子比特可以优先优化光子接口，存储量子比特负责抵抗环境噪声，处理量子比特追求高保真逻辑门，传感量子比特则针对特定物理量保持敏感。只要不同类型之间能够可靠转移量子状态，它们就可以组成一个异构量子系统。
经典数据中心通过网络、CPU、GPU、内存和存储的专业化分工扩大规模；量子基础设施也可能走向类似的异构架构。牛津实验展示的锶—钙组合，就是一个微型版本：锶负责“连”，钙负责“存”和“算”。
约 10 秒的数字本身并不是终点。更关键的是，研究人员证明了远端纠缠可以跨不同原子类型被创建、扩展、操控并保存。对于未来量子网络来说，这比单纯刷新某一项持续时间纪录更接近真正可用的系统能力。
新闻原文： Interesting Engineering：Scientists achieve 10-second quantum entanglement
牛津大学介绍： Quantum network entangles several atoms of different elements
研究论文： Physical Review Letters：Multipartite Mixed-Species Entanglement over a Quantum Network