北京時(shí)間4月2日消息，在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家新創(chuàng)建的一個(gè)系統(tǒng)使得在更長距離上加強(qiáng)量子通信成為可能。這是邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的一小步，但卻是至關(guān)重要的一步。
用于存儲量子信息以擴(kuò)展量子通信范圍的設(shè)備的掃描電子顯微圖
目前我們還處于一場量子“大發(fā)展”的初期階段，研究人員正嘗試?yán)闷嫣氐臄?shù)學(xué)系統(tǒng)來控制亞原子粒子，從而增強(qiáng)計(jì)算和通信能力。對量子科學(xué)家來說，這個(gè)時(shí)代的核心目標(biāo)之一便是在更大尺度上建立傳輸量子信息的網(wǎng)絡(luò)，這將推動密碼學(xué)、傳感技術(shù)甚至分布式量子計(jì)算的發(fā)展。不過，目前這些都還是理論上的設(shè)想，如果沒有中繼器等組件來擴(kuò)展量子信息的傳播距離，或者沒有能將量子信息轉(zhuǎn)換成可傳輸光子的傳感器，那這樣的網(wǎng)絡(luò)就不可能真正存在。這項(xiàng)新研究使量子通信領(lǐng)域距離量子中繼器的發(fā)明更近了一步。
“傳統(tǒng)的中繼器會測量信號并進(jìn)行放大，”哈佛大學(xué)物理學(xué)研究生Mihir Bhaskar說，“這就是所有信息傳播到世界各地的方式。在構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們也在嘗試做類似的事情，不同的是，我們是在與單光子通信。”
如今，我們的網(wǎng)絡(luò)以比特的形式傳送信息，但某些自然系統(tǒng)，如光子或繞原子運(yùn)行的電子，可以通過它們的屬性存儲更豐富的信息。更重要的是，這些系統(tǒng)可能會糾纏在一起，使得在相隔較遠(yuǎn)的點(diǎn)上的重復(fù)測量結(jié)果具有比常規(guī)概率允許的更大相關(guān)性。量子信息科學(xué)家認(rèn)為，或許在不久的將來，他們可以利用具備這些屬性的網(wǎng)絡(luò)來發(fā)送不可破解的信息，提高傳感器的功能，或者執(zhí)行一些我們現(xiàn)在還想象不到的任務(wù)。
所有這一切的核心挑戰(zhàn)之一便是如何解決遠(yuǎn)距離發(fā)送量子信息的困難。這些信息被編碼成單個(gè)光子，而在數(shù)公里長的光纜中，光子很可能會丟失。任何網(wǎng)絡(luò)，如果想要使連接節(jié)點(diǎn)之間的距離大于一個(gè)城鎮(zhèn)的范圍，就需要中繼器來放大信號。然而，對量子信息網(wǎng)絡(luò)來說，這是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。與常規(guī)中繼器不同，我們不可能精確地復(fù)制一個(gè)量子態(tài)，因?yàn)閷α孔討B(tài)的測量本身就會將其破壞。
哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，可以有效地將信息傳播的距離縮短一半。該系統(tǒng)設(shè)置在一臺接近絕對零度的稀釋制冷機(jī)內(nèi)，包含一塊具有“空位”的鉆石。所謂的“空位”，其實(shí)是由用單個(gè)硅原子取代兩個(gè)碳原子時(shí)所產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域，可以在稀釋制冷機(jī)內(nèi)部的極度低溫中暫時(shí)儲存量子態(tài)的光子。
該系統(tǒng)從A點(diǎn)接收傳入的光子，然后將光子的狀態(tài)（在不使其破壞的情況下）保存足夠長的時(shí)間，以接收一個(gè)來自B點(diǎn)的光子。在這些光子經(jīng)過足夠的同步和糾纏之后，中心節(jié)點(diǎn)會生成一個(gè)密鑰，在兩點(diǎn)之間起到關(guān)聯(lián)作用。與此同時(shí)，該密鑰也只對A、B兩點(diǎn)具有意義。之后，雙方就可以使用這個(gè)密鑰對消息進(jìn)行加密和解密。
研究人員在近期的《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了他們的研究成果。Bhaskar解釋道，這還不是一個(gè)可以將量子信息直接從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)的中繼器，而是最終達(dá)到這一目標(biāo)的關(guān)鍵缺失要素，即作為量子信息（以光的形式存儲）與中間節(jié)點(diǎn)之間的中間接口。研究人員正在努力證明，他們可以把信息從A點(diǎn)發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，然后再發(fā)送到B點(diǎn)，或者甚至可以通過在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間放置更多的鉆石單元來擴(kuò)展范圍。
在這個(gè)系統(tǒng)成為長距離量子通信的一部分之前，研究人員還必須進(jìn)行很多其他的改進(jìn)。該系統(tǒng)需要在兩個(gè)真正獨(dú)立的機(jī)構(gòu)之間發(fā)揮作用，而不僅僅是作為實(shí)驗(yàn)室里的工作站。此外，該系統(tǒng)目前的工作波長與最適合光纖電纜使用的波長不同，它需要一種將信號轉(zhuǎn)換成這些波長的方法。
一些沒有參與這項(xiàng)研究的研究者對這項(xiàng)工作的技術(shù)成就表示贊賞。加拿大卡爾加里大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)研究所的主任巴里·桑德斯（Barry Sanders）表示，這是“一個(gè)令人興奮的原理證明”，不僅因?yàn)樗故玖肆孔佑洃浀姆绞?，而且還通過測量證實(shí)了光子之間的糾纏。但是他也指出，要將其擴(kuò)大到更實(shí)際的用途，還有很長的路要走。
美國西北大學(xué)光子通信與計(jì)算中心主任普雷姆·庫馬爾（Prem Kumar）也沒有參與這項(xiàng)研究，他認(rèn)為這是一項(xiàng)值得注意的工作，也是邁向最終發(fā)明量子中繼器的關(guān)鍵一步——盡管這也只是眾多必要的步驟之一。庫馬爾還強(qiáng)調(diào)，短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出成熟的量子網(wǎng)絡(luò)是不可能的。
世界各地的科學(xué)家正在對各方面的問題進(jìn)行研究，試圖開發(fā)出最終的量子互聯(lián)網(wǎng)。研究人員已經(jīng)在芝加哥和波士頓地區(qū)設(shè)計(jì)了光纖線路，以便在更短的距離內(nèi)進(jìn)行更多類似的實(shí)驗(yàn)。由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的量子研究，已經(jīng)成功地在實(shí)驗(yàn)室的50公里量子態(tài)線圈中使保存的量子態(tài)發(fā)生糾纏；并以“墨子”號衛(wèi)星為中介，使世界不同實(shí)驗(yàn)室的光子發(fā)生糾纏。不過，這些都只是一個(gè)更大謎題的某一部分，最終必須整合在一起，并克服其他必須解決的問題。比如前面提到的轉(zhuǎn)換器，它必須能將存儲在量子處理器中的量子信息轉(zhuǎn)換成在光纖上傳播的光子。
無論如何，這項(xiàng)新研究都是一個(gè)令人振奮的進(jìn)步，但正如庫馬爾所說，未來的量子互聯(lián)網(wǎng)還處于朦朧之中，我們剛踏出馬拉松的最初幾步。
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