Det är en sak att drömma om ett kvantinternet som kan skicka hackersäker information runt om i världen via fotoner överlagrade i olika kvanttillstånd. Det är något helt annat att fysiskt visa att det är möjligt.

Det är precis vad Harvard-fysiker har gjort, med hjälp av befintlig telekommunikationsfiber i Boston-området, i en demonstration av världens hittills längsta fiberavstånd mellan två kvantminnesnoder. Tänk på det som ett enkelt, slutet internet mellan punkt A och B, som bär en signal kodad inte av klassiska bitar som det befintliga internet, utan av helt säkra, individuella ljuspartiklar.

Det banbrytande arbetet, med titeln "Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network" och publicerat i Nature , leddes av Mikhail Lukin, professorn vid Joshua och Beth Friedman University vid institutionen för fysik, i samarbete med Harvard-professorerna Marko Lončar och Hongkun Park, som alla är medlemmar i Harvard Quantum Initiative, tillsammans med forskare på Amazon Web Services.

Harvard-teamet etablerade de praktiska förutsättningarna för det första kvantinternet genom att trassla in två kvantminnesnoder åtskilda av optisk fiberlänk utplacerade över en ungefär 22 mil lång slinga genom Cambridge, Somerville, Watertown och Boston. De två noderna var placerade en våning ifrån varandra i Harvards Laboratory for Integrated Science and Engineering.

Kvantminne, analogt med klassiskt datorminne, är en viktig komponent i en sammankopplad kvantberäkningsframtid eftersom det möjliggör komplexa nätverksoperationer och informationslagring och hämtning. Medan andra kvantnätverk har skapats tidigare, är Harvard-teamet det längsta fibernätverket mellan enheter som kan lagra, bearbeta och flytta information.

Varje nod är en mycket liten kvantdator, gjord av en diamantskiva som har en defekt i sin atomstruktur som kallas ett kiselvakanscenter. Inuti diamanten, ristade strukturer som är mindre än en hundradel av ett människohårs bredd förbättrar interaktionen mellan kiselvakanscentret och ljuset.

Kiselvakanscentret innehåller två qubits, eller bitar av kvantinformation:en i form av ett elektronspin som används för kommunikation, och den andra i ett längre livslängd kärnspinn som används som en minnesqubit för att lagra intrassling (den kvantmekaniska egenskap som gör att information kan korreleras perfekt över vilket avstånd som helst).

Båda snurren är fullt kontrollerbara med mikrovågspulser. Dessa diamantenheter – bara några millimeter i kvadrat – är inrymda i utspädningskylenheter som når temperaturer på -459°F.

Att använda kisel-vakanscenter som kvantminnesenheter för enstaka fotoner har varit ett flerårigt forskningsprogram vid Harvard. Tekniken löser ett stort problem i det teoretiserade kvantinternet:signalförlust som inte kan förstärkas på traditionella sätt.

Ett kvantnätverk kan inte använda vanliga optiska fibersignalrepeater eftersom kopiering av godtycklig kvantinformation är omöjlig – vilket gör informationen säker men också mycket svår att transportera över långa avstånd.

Kiselvakanscenterbaserade nätverksnoder kan fånga, lagra och trassla in bitar av kvantinformation samtidigt som de korrigerar för signalförlust. Efter kylning av noderna till nära absolut noll skickas ljus genom den första noden och, på grund av kiselvakanscentrets atomstruktur, blir det intrasslat med den.

"Eftersom ljuset redan är intrasslat med den första noden, kan det överföra denna intrassling till den andra noden," förklarade första författaren Can Knaut, en student vid Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences i Lukins labb. "Vi kallar detta fotonförmedlad intrassling."

Under de senaste åren har forskarna hyrt optisk fiber från ett företag i Boston för att genomföra sina experiment, och anpassat deras demonstrationsnätverk ovanpå den befintliga fibern för att indikera att det skulle vara möjligt att skapa ett kvantinternet med liknande nätverkslinjer.

"Att visa att kvantnätverksnoder kan intrasslas i den verkliga miljön i ett mycket hektiskt stadsområde, är ett viktigt steg mot praktiskt nätverkande mellan kvantdatorer," sa Lukin.

Ett kvantnätverk med två noder är bara början. Forskarna arbetar flitigt med att utöka prestandan för sitt nätverk genom att lägga till noder och experimentera med fler nätverksprotokoll.