量子網(wǎng)絡(luò)：鬼魅般的超距作用

StefanoPirandola&SamuelL.Braunstein+李雨蒙

大約在25年前，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了“瞬間傳輸”的量子體系。這種瞬間移動就是完美復(fù)制原始量子。愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。在量子狀態(tài)下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關(guān)聯(lián)，并且可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子狀態(tài)瞬間傳輸就是利用量子的這種特性，把一對攜帶著信息的糾纏的光子進(jìn)行拆分，將其中一個光子發(fā)送到特定位置，兩地之間只需要知道其中一個光子的即時狀態(tài)，就能準(zhǔn)確推測另外一個光子的狀態(tài)。這樣的特性能夠提供一個可靠高效的方式在網(wǎng)絡(luò)間傳遞量子信息，也能夠超越傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，確保通訊和分布式計(jì)算能力。

實(shí)際上，量子信息以多種形式存在著，比如一個光子的兩極化狀態(tài)，電子的自轉(zhuǎn)或是原子的激發(fā)狀態(tài)。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種技術(shù)用以傳輸這樣的狀態(tài)?？墒?，目前依然存在許多阻礙技術(shù)發(fā)展的問題。比如，兩極化光量子能在超過100公里的范圍內(nèi)用于傳輸量子信息，但只是從概率上說。超導(dǎo)設(shè)備通過芯片無損地通訊，但是只維持一瞬間，之后就有可能被其他相互作用爭奪了信息傳輸。

兩種方式

現(xiàn)在，全球在遠(yuǎn)距離通信方面最先進(jìn)的科技是用于可見光的量子信息的瞬間傳輸。量子信息以（quantumbits）量子比特為單位計(jì)或是qubits，這些可以通過光一瞬間分散的特性表現(xiàn)，比如它的兩級狀態(tài)，或是以電磁波的連續(xù)狀態(tài)形容，比如微波電場的密度和強(qiáng)度。瞬間傳輸信息，需要發(fā)送和接收雙方都擁有一對糾纏的量子系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)送者改變系統(tǒng)狀態(tài)時，接收者系統(tǒng)會同樣受到影響。

兩極化量子比特在距離方面的表現(xiàn)最好，其最高紀(jì)錄能達(dá)到143公里。不過目前，僅有50%的量子比特能夠瞬間傳輸。實(shí)際上，瞬間傳輸需要傳送方進(jìn)行名為“鈴流檢測“的操作。操作中，兩個量子的兩極被充分相連形成四種可能性組合。簡單的光學(xué)和光電探測器能夠最多分辨兩種。

長距離的傳輸也會帶來進(jìn)一步的技術(shù)難題，比如對大氣亂流和地面活動的彌補(bǔ)。所以，需要利用一些先進(jìn)科技同步傳輸?shù)膬啥?，比如使用原子鐘?，F(xiàn)代經(jīng)典的通訊更加依賴于衛(wèi)星技術(shù)。

持續(xù)變量的體系衡量所有鈴流檢測的結(jié)果更加容易，只用簡單的線性光學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)的光電探測器即可進(jìn)行。這樣的系統(tǒng)能夠同時傳送許多量子比特，因此在高速量子通訊中更加青睞使用這樣的系統(tǒng)。

我們需要找到一種方式能夠綜合分散變量（長距離傳輸）與持續(xù)變量（快速確定的傳輸）中最好的特性。有實(shí)驗(yàn)表明，將分散量子比特與持續(xù)變量糾纏粒子的結(jié)合，就能夠完整瞬間傳輸量子信息。我們需要進(jìn)一步研究擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)中的距離，并整合其他量子技術(shù)類型，比如用于移動通訊儲存的量子存儲器?；旌霞夹g(shù)的研究需要在不同領(lǐng)域、不同團(tuán)隊(duì)之間展開更廣泛的合作與交流。

量子網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)全球分布的量子計(jì)算機(jī)或量子網(wǎng)絡(luò)，其中最大的阻礙之一就是網(wǎng)絡(luò)之間糾纏的節(jié)點(diǎn)。所謂量子比特（量子位）能夠在任意兩個量子之間瞬間移動，并且依靠本地量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

理想狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，在任意一雙量子間糾纏，或是創(chuàng)造出一個巨大多重糾纏的“團(tuán)簇”，向所有的節(jié)點(diǎn)散布。團(tuán)簇狀態(tài)就是連接實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的數(shù)以千計(jì)的節(jié)點(diǎn)。而最大的挑戰(zhàn)就是證明它們?nèi)绾卧陂L距離之間展開，就如同怎樣在各節(jié)點(diǎn)存儲量子態(tài)一樣，以及如何利用量子節(jié)點(diǎn)不斷地更新它們。

在近乎完美的精確和大容量下，量子存儲器需要將電磁輻射轉(zhuǎn)化為物理變化。“自轉(zhuǎn)集合”代表了一種量子存儲器。超冷原子氣體包括了100萬原子的銣元素，它能夠?qū)蝹€的光量子轉(zhuǎn)化為稱為自轉(zhuǎn)波的集合原子。儲存時間接近100毫秒，需要在全球之間發(fā)送光信號。

量子網(wǎng)絡(luò)需要存儲器存入量子信息，保護(hù)信息免受不需要的交互作用的影響。因此，量子計(jì)算需要通過這樣存儲器的技術(shù)支持以及通過中繼器實(shí)現(xiàn)長距離的量子糾纏分布。

超導(dǎo)量子比特是以物理數(shù)量定義的，比如電感器的流量或電容器的電荷，通過釋放或吸收微波光量子，與量子處理器之間相互作用。為達(dá)到固體量子存儲的成功集合，量子信息的可逆的存儲和檢索將成為可能。這需要微波光量子與固態(tài)量子存儲器原子自轉(zhuǎn)之間有效的交接，與處理器相連接。如果成功，這項(xiàng)混合技術(shù)將是最有希望擴(kuò)大成為大型分布式的量子計(jì)算機(jī)的設(shè)備。

另一方面，量子計(jì)算對經(jīng)典計(jì)算做了極大的擴(kuò)充，在數(shù)學(xué)形式上，經(jīng)典計(jì)算可看做是一類特殊的量子計(jì)算。量子網(wǎng)絡(luò)對每一個疊加分量進(jìn)行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計(jì)算稱作量子并行計(jì)算。

未來的發(fā)展

為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，量子瞬間傳輸科技需要發(fā)展以下三方面：

第一，在分散變量與連續(xù)變量之間進(jìn)行更多的理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究。這樣可以綜合目前各種不同的研究方法，進(jìn)行整合深入發(fā)掘最佳的成果。繼續(xù)進(jìn)行兩極化量子比特的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，利用自由空間或光纖進(jìn)行跨越城市之間的信息互通的連續(xù)變量的瞬間傳輸。

第二，最成功的技術(shù)就是整合數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲。我們需要促進(jìn)超導(dǎo)量子處理器和固態(tài)量子存儲器之間找到更加高效的結(jié)合點(diǎn)。這能夠改善微波光子存儲與檢索性能。而下一步切實(shí)的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)在超導(dǎo)量子比特與本地量子存儲器的氮晶格空位中心之間進(jìn)行芯片上的瞬間傳輸。

第三，投資此項(xiàng)技術(shù)展示了可擴(kuò)展的潛質(zhì)。比如，微波光纖傳感器能夠有效地在芯片上連接微波光量子與光纖量子，并且設(shè)計(jì)與整合遠(yuǎn)距離量子傳輸。配對的傳感器連接兩個遙遠(yuǎn)的芯片，為超導(dǎo)量子比特之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子傳輸做好技術(shù)準(zhǔn)備。

編譯自《自然》雜志