文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯|Meister Xia
導讀
量子互聯(lián)網(wǎng)是一種利用量子力學的奇特現(xiàn)象，如量子糾纏和量子傳送，來實現(xiàn)無損，安全，高效的信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡。量子互聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)提出了幾十年，但是要將它從理論變?yōu)楝F(xiàn)實，還需要克服很多技術上的難題。荷蘭的一支研究團隊首次實現(xiàn)了三節(jié)點的量子網(wǎng)絡，并在其中進行了量子隱形傳態(tài)。這一突破性的實驗為未來的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎。量子隱形傳態(tài)究竟是什么？它有什么優(yōu)勢和挑戰(zhàn)？它將如何改變我們的通信和計算方式？
一覽：
- 荷蘭的研究團隊正在利用一系列最新的技術突破開發(fā)量子互聯(lián)網(wǎng)，用量子隱形傳態(tài)傳輸量子位。
- 這種“牢不可破”的隱形傳態(tài)可以在距離遙遠的粒子之間瞬時傳輸量子狀態(tài)。
- 荷蘭量子計算研究中心QuTech 團隊首次成功創(chuàng)建了具有三個網(wǎng)絡節(jié)點的量子網(wǎng)絡。
- 隨著技術成熟，該系統(tǒng)將能使用更復雜的傳輸協(xié)議，有朝一日集成到實際使用的網(wǎng)絡中。
在荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）和荷蘭應用科學研究組織（TNO）組建的荷蘭量子計算研究中心QuTech 中， Ronald Hanson實驗室的研究人員正試圖使用鉆石中的量子比特（qubit）傳輸量子信息。近日，他們成功地證明可以通過量子隱形傳態(tài)在兩個非直接連接的節(jié)點之間傳輸信息，這是一個史無前例的發(fā)現(xiàn)。隱形傳態(tài)可用于創(chuàng)建堅固、“牢不可破”的量子互聯(lián)網(wǎng)。
說起量子隱形傳態(tài)，許多人不禁會想起科幻影視系列《星際迷航》的情節(jié)。雖然隱形傳態(tài)對于人類等物體來說是不可能的，但對于遵循量子力學的粒子，可以利用其量子態(tài)編碼信息，從而實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。這個過程不涉及物質(zhì)的任何物理物質(zhì)轉(zhuǎn)移，而是在相隔極遠距離的粒子之間瞬間傳輸量子狀態(tài)。信息會在發(fā)送端被刪除，并立即出現(xiàn)在接收端。
“量子糾纏——幽靈般的遠程作用”。
隱形傳態(tài)的基本原理是，兩個網(wǎng)絡節(jié)點Alice和Bob共享一對糾纏粒子（在量子密碼學中，Alice一般被設為消息的發(fā)送者，Bob設為接收者）。糾纏態(tài)是兩個或多個粒子之間，由于量子相互作用而狀態(tài)緊密關聯(lián)的情況，粒子無論相距多遠，都能保持這種糾纏聯(lián)系。在經(jīng)典力學里找不到類似的現(xiàn)象。愛因斯坦稱這種效應為“幽靈般的遠程作用”。Alice若與第三個粒子（處于未知狀態(tài)）相互作用，并通過經(jīng)典通信方式將結(jié)果傳給Bob，Bob就能重現(xiàn)第三個粒子的初始未知狀態(tài)，相當于即時傳送其狀態(tài)。
隱形傳態(tài)理論早在1993年就被提出，并于1997年在一次光子偏振的隱形傳態(tài)實驗中首次得到驗證。自那之后，原子自旋、核自旋和捕獲離子的狀態(tài)陸續(xù)在實驗室中成功傳態(tài)。還有學者在獨立光子之間傳送了“兩個自由度”——自旋和軌道角動量。
01 三節(jié)點量子網(wǎng)絡
Ronald Hanson的團隊最近使用鉆石中的“氮空位中心”（NV）作為量子位，制作了有史以來第一個三節(jié)點量子網(wǎng)絡。在碳原子晶格中，用氮原子取代部分碳原子，便形成氮空位中心。每個節(jié)點包含一個通信量子位，一個節(jié)點還包含一個存儲量子位，可以存儲節(jié)點中的量子信息。
為了將量子信息從發(fā)送端傳送到接收端，兩端各自的量子位須要糾纏在一起。當對發(fā)送端的量子位進行貝爾態(tài)測量時，其量子態(tài)會被傳送，即從發(fā)送端的節(jié)點消失，并以加密的形式出現(xiàn)在接收端的節(jié)點上，可以使用貝爾態(tài)測量的結(jié)果來解密。也就是說，可以通過傳統(tǒng)通道（例如光纖）將其發(fā)送到接收端。
目前為止，這個過程只能在兩個相鄰的網(wǎng)絡節(jié)點Alice和Bob之間進行。要添加第三個點（Charlie點）并不容易，因為Alice和Charlie之間的糾纏必須通過Bob創(chuàng)建，糾纏還必須具有高保真度，才能使隱形傳態(tài)傳輸成功。
02 創(chuàng)新措施克服技術瓶頸
Ronald Hanson的團隊通過增加探測器數(shù)量，克服了上述瓶頸。這些探測器可以更好地識別系統(tǒng)中雜光子發(fā)出的“錯誤”信號。團隊還采取措施保護存儲量子位免受通信量子位和晶體環(huán)境的干擾，改進其存儲性能，避免“退相干”現(xiàn)象使量子位丟失其包含的量子信息。此外，團隊還實時過濾“壞數(shù)據(jù)”改進量子位存儲，以提高精確度。
在上述措施的作用下，不相鄰的Alice和Charlie節(jié)點之間也能有量子信息傳態(tài)了。研究者首先通過Bob的量子位糾纏Alice和Charlie的量子位。然后，Charlie將部分糾纏態(tài)存儲在其記憶量子位中，并在其通信量子位上準備好即將傳送的量子態(tài)。最終，對Charlie進行貝爾狀態(tài)測量，便能將狀態(tài)傳送給Alice。
研究人員目前正在努力增加內(nèi)存量子位的數(shù)量，這樣就可以使用更復雜的傳輸協(xié)議，還考慮將傳統(tǒng)光纖集成到實驗中，促進新技術未來走出實驗室，應用到現(xiàn)實世界的網(wǎng)絡中。另外，他們正在開發(fā)量子網(wǎng)絡“控制堆?！?，類似于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)使用的堆棧，這對于有朝一日打造實際可用的量子互聯(lián)網(wǎng)也是十分必要的。