4月2日消息，在一項新研究中，科學(xué)家新創(chuàng )建的一個(gè)系統使得在更長(cháng)距離上加強量子通信成為可能。這是邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的一小步，但卻是較為重要的一步。
目前我們還處于一場(chǎng)量子“大發(fā)展”的初期階段，研究人員正嘗試利用奇特的數學(xué)系統來(lái)控制亞原子粒子，從而增強通信和計算能力。對量子科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)代的核心目標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(dòng)傳感技術(shù)、密碼學(xué)甚至分布式量子計算的發(fā)展。不過(guò)，目前這些都還是理論上的設想，如果沒(méi)有中繼器等組件來(lái)擴展量子信息的傳播距離，或者沒(méi)有能將量子信息轉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。多級泵
“傳統的中繼器會(huì )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(shuō)，“這就是所有信息傳播到世界各地的方式。在構建量子網(wǎng)絡(luò )時(shí)，我們也在嘗試做類(lèi)似的事情，不同的是，我們是在與單光子通信?！?/p>
目前，我們的網(wǎng)絡(luò )以比特的形式傳送信息，但某些自然系統，如光子或繞原子運行的電子，可以通過(guò)它們的屬性存儲更豐富的信息。更重要的是，這些系統可能會(huì )糾纏在一起，使得在相隔較遠的點(diǎn)上的重復測量結果具有比常規概率允許的更大相關(guān)性。量子信息科學(xué)家認為，或許在不久的將來(lái)，他們可以利用具備這些屬性的網(wǎng)絡(luò )來(lái)發(fā)送不可破解的信息，提高傳感器的功能，或者執行一些我們現在還想象不到的任務(wù)。隔膜泵
所有這一切的核心挑戰之一便是如何解決遠距離發(fā)送量子信息的困難。這些信息被編碼成單個(gè)光子，而在數公里長(cháng)的光纜中，光子很可能會(huì )丟失。任何網(wǎng)絡(luò )，如果想要使連接節點(diǎn)之間的距離大于一個(gè)城鎮的范圍，就需要中繼器來(lái)放大信號。然而，對量子信息網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相當大的挑戰。與常規中繼器不同，我們不可能精確地復制一個(gè)量子態(tài)，因為對量子態(tài)的測量本身就會(huì )將其破壞。
哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究團隊開(kāi)發(fā)了一個(gè)中心節點(diǎn)，可以有效地將信息傳播的距離縮短一半。該系統設置在一臺接近絕對零度的稀釋制冷機內，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)區域，可以在稀釋制冷機內部的較度低溫中暫時(shí)儲存量子態(tài)的光子。油桶泵
該系統從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(cháng)的時(shí)間，以接收一個(gè)來(lái)自B點(diǎn)的光子。在這些光子經(jīng)過(guò)足夠的同步和糾纏之后，中心節點(diǎn)會(huì )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，而是最終達到這一目標的關(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)送到節點(diǎn)，然后再發(fā)送到B點(diǎn)，或者甚至可以通過(guò)在兩個(gè)節點(diǎn)之間放置更多的鉆石單元來(lái)擴展范圍。自吸排污泵
在這個(gè)系統成為長(cháng)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)。該系統需要在兩個(gè)真正獨立的機構之間發(fā)揮作用，而不僅僅是作為實(shí)驗室里的工作站。此外，該系統目前的工作波長(cháng)與最適合光纖電纜使用的波長(cháng)不同，它需要一種將信號轉換成這些波長(cháng)的方法。
一些沒(méi)有參與這項研究的研究者對這項工作的技術(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·桑德斯表示，這是“一個(gè)令人興奮的原理證明”，不僅因為它展示了量子記憶的方式，而且還通過(guò)測量證實(shí)了光子之間的糾纏。但是他也指出，要將其擴大到更實(shí)際的用途，還有很長(cháng)的路要走。潛水泵
美國西北大學(xué)光子通信與計算中心主任普雷姆·庫馬爾也沒(méi)有參與這項研究，他認為這是一項值得注意的工作，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。庫馬爾還強調，短時(shí)間內開(kāi)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(wèn)題進(jìn)行研究，試圖開(kāi)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設計了光纖線(xiàn)路，以便在更短的距離內進(jìn)行更多類(lèi)似的實(shí)驗。由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉領(lǐng)導的量子研究，已經(jīng)成功地在實(shí)驗室的50公里量子態(tài)線(xiàn)圈中使保存的量子態(tài)發(fā)生糾纏；并以“墨子”號衛星為中介，使世界不同實(shí)驗室的光子發(fā)生糾纏。不過(guò)，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(wèn)題。比如前面提到的轉換器，它必須能將存儲在量子處理器中的量子信息轉換成在光纖上傳播的光子。
無(wú)論如何，這項新研究都是一個(gè)令人振奮的進(jìn)步，但正如庫馬爾所說(shuō)，未來(lái)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。