近日，亚马逊AWS发布消息称，将与世界钻石业老大戴比尔斯（De Beers）合作，以探索开发用于量子网络的合成金刚石的方法。此次官宣，意味着亚马逊将进入量子网络领域。
然而，在此之前，亚马逊AWS一直致力于量子计算。2019年12月，亚马逊AWS宣布推出量子计算云平台Braket，正式入局量子计算领域。2021年10月，亚马逊AWS成立量子计算中心，开启量子计算硬件研发之路，与谷歌、IBM、英特尔等开展相同技术路线研究，建造大规模超导量子计算机。
目前，还没有消息透露相关量子计算硬件的进展情况，却迎来亚马逊AWS入局量子网络的消息。
01. 何为量子网络
作为量子信息科学的四大应用量子计算、量子通信、量子传感和量子精密测量）之一，量子通信是利用量子态实现通信双方的信息共享的一种新型通讯方式，而量子网络可以理解为支撑量子通信的一种新型功能网络。
在量子网络中，信息将使用量子比特来传输，而不是传统计算中使用的经典比特。
量子互联网最有前途的应用之一是量子通信。我们常听到的量子通信，是采用量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）密码协议的安全通信方法。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密讯息。需要注意的是，人们经常把QKD和量子密码学这一概念混淆，实际上，QKD仅为量子密码学里最为著名的一个用例。
如下视频是QKD的基本原理演示：
目前，量子网络的两个关键性挑战在于：
一是物理介质本身的材料属性（受环境等影响）会带来限制。
二是通信距离增加后，信号随长度的增加会衰减，到一定临界值时候，就无法使用。因此必须采用一种新型基础设施：量子中继器。中继器对信号数据重新发送或者转发，使量子信息的远距离传播成为可能。
这两个关键性挑战，也正是AWS研究的重点。
02. 独辟蹊径，基于NV色心
量子中继器的核心元件是与光交互的存储量子比特。该量子比特捕获编码在光上的信息，将其存储，并与附近的其他量子比特一起执行纠错，以消除通信过程中可能发生的任何错误。
量子比特可以由不同的技术构建，大多数领先的量子计算机都基于超导体，如谷歌、IBM、英特尔以及国内的本源量子等。
AWS 科学家认为，基于金刚石色心（NV色心）的竞争性方案将成为量子中继器的最佳方案，因为它使用光子运行（光子是光纤网络通信的基本单位），并且人造金刚石能够大规模生产。
这类基于金刚石色心的量子比特也被常称为“缺陷量子比特”。
03. 完美的“缺陷”
固体中的缺陷是一类广泛的量子比特，由一个或多个原子组成，在原本均匀的晶体材料内部形成缺陷。根据所用原子和材料的类型，量子比特由缺陷原子的电子或磁态定义。
图 2｜ 这些 NV（左）和 SiV（右）图显示了它们在金刚石晶格内的原子构型。在每种情况下，碳原子（银）都被空位（白色和黑色轮廓）和缺陷原子（棕色的氮，金色的硅）取代（来源：AWS ）
金刚石是自然界最非凡的材料之一。金刚石由碳原子晶格构成，但含有杂质原子的缺陷会改变它们与光子相互作用的方式。这赋予了钻石宝石独特的颜色——但光子效应也可以实现量子中继器。
氮空位中心 (NV) 和硅空位中心 (SiV) 缺陷分别用氮和硅取代碳原子。这些是色心，但它们的原子也具有“自旋记忆”，因为磁场可以对齐缺陷的“自旋”，使其成为值为 1 或 0 的量子存储设备。光子可以翻转自旋对齐，改变量子比特的值。
因为它们位于金刚石中，NV 和 SiV 色心比其他量子比特更稳健，并且有可能被构建到可部署的纳米级网络设备中。特别是 SiV 缺陷对表面发生的磁场和电场波动不敏感，这使得它们特别有用，因为它们可以可靠地写入和读取。
读出保真度99.98%，单量子位门保真度优于99%，自旋光子门保真度优于95%。
同时，量子比特还具有长达 10 毫秒的相对较长的“相干时间”，以及超过一秒的核自旋记忆。
金刚石的光学和量子特性使其在量子网络和量子通信应用方面具有独特的前景。但是，在天然金刚石中，不需要的缺陷原子数量会降低色心（如 NV 和 SiV）的相干性、光学和自旋特性。
长期以来，无法广泛获取不同等级和形态的金刚石一直是该领域面临的挑战。
基于此，AWS与世界钻石业老大戴比尔斯的元素六部门合作，以探索开发用于量子网络的合成金刚石的方法。自此，量子网络领域的开拓者又多了一个劲敌。
目前，世界上已有美国、中国、欧洲、俄罗斯等多个研究小组和机构致力于量子网络的研发。
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