文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

量子互聯(lián)網(wǎng)是一種利用量子力學(xué)的奇特現(xiàn)象，如量子糾纏和量子傳送，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)損，安全，高效的信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。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(shí)，還需要克服很多技術(shù)上的難題。荷蘭的一支研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了三節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)，并在其中進(jìn)行了量子隱形傳態(tài)。這一突破性的實(shí)驗(yàn)為未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。量子隱形傳態(tài)究竟是什么？它有什么優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)？它將如何改變我們的通信和計(jì)算方式？

一覽：

• 荷蘭的研究團(tuán)隊(duì)正在利用一系列最新的技術(shù)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(yuǎn)的粒子之間瞬時(shí)傳輸量子狀態(tài)。
• 荷蘭量子計(jì)算研究中心QuTech 團(tuán)隊(duì)首次成功創(chuàng)建了具有三個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)。
• 隨著技術(shù)成熟，該系統(tǒng)將能使用更復(fù)雜的傳輸協(xié)議，有朝一日集成到實(shí)際使用的網(wǎng)絡(luò)中。

在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）和荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（TNO）組建的荷蘭量子計(jì)算研究中心QuTech 中， Ronald Hanson實(shí)驗(yàn)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(gè)非直接連接的節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息，這是一個(gè)史無(wú)前例的發(fā)現(xiàn)。隱形傳態(tài)可用于創(chuàng)建堅(jiān)固、“牢不可破”的量子互聯(lián)網(wǎng)。

說(shuō)起量子隱形傳態(tài)，許多人不禁會(huì)想起科幻影視系列《星際迷航》的情節(jié)。雖然隱形傳態(tài)對(duì)于人類等物體來(lái)說(shuō)是不可能的，但對(duì)于遵循量子力學(xué)的粒子，可以利用其量子態(tài)編碼信息，從而實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。這個(gè)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(yuǎn)距離的粒子之間瞬間傳輸量子狀態(tài)。信息會(huì)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(yuǎn)程作用”。

隱形傳態(tài)的基本原理是，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Alice和Bob共享一對(duì)糾纏粒子（在量子密碼學(xué)中，Alice一般被設(shè)為消息的發(fā)送者，Bob設(shè)為接收者）。糾纏態(tài)是兩個(gè)或多個(gè)粒子之間，由于量子相互作用而狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)的情況，粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都能保持這種糾纏聯(lián)系。在經(jīng)典力學(xué)里找不到類似的現(xiàn)象。愛因斯坦稱這種效應(yīng)為“幽靈般的遠(yuǎn)程作用”。Alice若與第三個(gè)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(gè)粒子的初始未知狀態(tài)，相當(dāng)于即時(shí)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(shí)驗(yàn)中首次得到驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中成功傳態(tài)。還有學(xué)者在獨(dú)立光子之間傳送了“兩個(gè)自由度”——自旋和軌道角動(dòng)量。

01 三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)

Ronald Hanson的團(tuán)隊(duì)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(lái)第一個(gè)三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)。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(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)通信量子位，一個(gè)節(jié)點(diǎn)還包含一個(gè)存儲(chǔ)量子位，可以存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)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(dāng)對(duì)發(fā)送端的量子位進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量時(shí)，其量子態(tài)會(huì)被傳送，即從發(fā)送端的節(jié)點(diǎn)消失，并以加密的形式出現(xiàn)在接收端的節(jié)點(diǎn)上，可以使用貝爾態(tài)測(cè)量的結(jié)果來(lái)解密。也就是說(shuō)，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(gè)過程只能在兩個(gè)相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Alice和Bob之間進(jìn)行。要添加第三個(gè)點(diǎn)（Charlie點(diǎn)）并不容易，因?yàn)锳lice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(shù)瓶頸

Ronald Hanson的團(tuán)隊(duì)通過增加探測(cè)器數(shù)量，克服了上述瓶頸。這些探測(cè)器可以更好地識(shí)別系統(tǒng)中雜光子發(fā)出的“錯(cuò)誤”信號(hào)。團(tuán)隊(duì)還采取措施保護(hù)存儲(chǔ)量子位免受通信量子位和晶體環(huán)境的干擾，改進(jìn)其存儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)還實(shí)時(shí)過濾“壞數(shù)據(jù)”改進(jìn)量子位存儲(chǔ)，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(diǎn)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(chǔ)在其記憶量子位中，并在其通信量子位上準(zhǔn)備好即將傳送的量子態(tài)。最終，對(duì)Charlie進(jìn)行貝爾狀態(tài)測(cè)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(fù)雜的傳輸協(xié)議，還考慮將傳統(tǒng)光纖集成到實(shí)驗(yàn)中，促進(jìn)新技術(shù)未來(lái)走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)中。另外，他們正在開發(fā)量子網(wǎng)絡(luò)“控制堆?！?，類似于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)使用的堆棧，這對(duì)于有朝一日打造實(shí)際可用的量子互聯(lián)網(wǎng)也是十分必要的。