5 月 26 日消息，荷蘭代爾夫特理工大學 (Delft University of Technology) 的物理學家最近使用量子隱形傳態(tài)技術(shù)在三個處于不同物理位置的節(jié)點之間實現(xiàn)量子信息傳輸，離打造出“量子互聯(lián)網(wǎng)”又近了一步。

科學家通常只能用量子隱形傳態(tài)技術(shù)點對點完成量子信息傳輸。這項實驗表明，科學家可以將一個量子網(wǎng)絡(luò)延伸到越來越多的點。“我們現(xiàn)在正在實驗室里構(gòu)建小型量子網(wǎng)絡(luò)，”負責研究團隊的荷蘭代爾夫特大學物理學家羅納德?漢森 (Ronald Hanson) 說。“但我們的想法是最終建立起一個量子互聯(lián)網(wǎng)。”

目前世界各地的科學家都在研發(fā)量子計算機，其能夠在幾分鐘內(nèi)完成超級計算機甚至需要數(shù)千年運算才能完成的任務(wù)。2019 年秋季，谷歌推出一臺實驗性量子計算機，表明這種研究是可行的。

但如果沒有另一項技術(shù)突破，量子計算機將無法發(fā)揮潛力?？茖W家需要建立起量子互聯(lián)網(wǎng)，讓不同位置的量子計算機可以彼此傳輸量子信息。

荷蘭物理學家的最新研究論文于本周發(fā)表在科學雜志《自然》上，展示了量子隱形傳態(tài)的力量。阿爾伯特?愛因斯坦 (Albert Einstein) 曾將其稱之為“幽靈般的遠距離作用”。

這項技術(shù)可以深刻改變?nèi)祟愒诓煌攸c傳輸數(shù)據(jù)的方式。量子隱形傳態(tài)依托量子力學原理，不僅能夠在量子計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且還無法攔截。

“這不僅意味著量子計算機可以在不知道問題是什么的情況下解決問題，”因斯布魯克大學實驗物理研究所研究員特蕾西?埃莉諾瑟普 (Tracy Eleanor Northup) 說，她也在探索量子隱形傳態(tài)。“現(xiàn)在不是這樣。谷歌知道你在它的服務(wù)器上運行什么。”

傳統(tǒng)計算機通過處理“比特”信息來執(zhí)行計算，每個比特要么是 1，要么是 0。而量子計算機中的量子比特可以存儲 0 和 1 的疊加態(tài)，這意味著兩個量子比特可以同時代表 4 個值，三個量子比特可以代表 8 個值，四個可以代表 16 個值。隨著量子比特數(shù)量的增長，量子計算機的功能會呈指數(shù)級增長。

研究人員認為，有朝一日量子計算機可能會加速新藥研發(fā)，推動人工智能的進步，并迅速顛覆現(xiàn)有的加密技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，各個機構(gòu)都在投入巨額資金探索這項技術(shù)。

2019 年，谷歌宣布其機器已經(jīng)達到科學家所謂的“量子超越性”，這意味著其可以執(zhí)行傳統(tǒng)計算機無法完成的實驗任務(wù)。但大多數(shù)專家認為，量子計算機真正派上用途至少還需要幾年時間。

部分挑戰(zhàn)在于，如果人們從量子比特中直接讀取信息，量子比特就會出現(xiàn)斷裂或“退相干”，最終導致量子比特由相干疊加態(tài)退化為混合態(tài)或單一態(tài)。但是，科學家計劃通過把許多量子比特串在一起，并開發(fā)防止退相干的方法，來制造出既強大又實用的機器。

最理想的情況是，這些量子計算機連接到網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間可以任意發(fā)送信息，就像谷歌和亞馬遜當前所提供的云計算服務(wù)一樣。

但網(wǎng)絡(luò)也有自身問題。部分原因是退相干導致人們不能簡單通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)制和發(fā)送量子信息。量子隱形傳態(tài)則提供了一種解決方案。

雖然量子隱形傳態(tài)技術(shù)不能將物體從一個地方移動到另一個地方，但它可以利用量子糾纏特性來傳輸信息，也就是一個量子系統(tǒng)狀態(tài)的變化會瞬間影響其他位置量子系統(tǒng)的狀態(tài)。

埃莉諾瑟普說：“在糾纏之后，你就不能再單獨描述單一節(jié)點的狀態(tài)了。”“從根本上說，現(xiàn)在雙方處于一個系統(tǒng)。”

這些糾纏系統(tǒng)可以是電子、光子或其他物體。荷蘭的漢森博士以及團隊利用人造金剛石中的氮-空位中心 (Nitrogen-Vacancy center) 來實現(xiàn)量子糾纏。

研究團隊打造了三個量子系統(tǒng)，分別命名為愛麗絲、鮑勃和查理，并將它們用光纖直接連接起來。然后，科學家們可以通過在這些系統(tǒng)之間發(fā)送單獨光子來實現(xiàn)不同系統(tǒng)的量子糾纏。

首先，研究人員將愛麗絲和鮑勃的兩個電子糾纏在一起。事實上，這些電子的自旋狀態(tài)相同，因此能在一個共同的量子態(tài)中結(jié)合或糾纏在一起，每個電子都存儲著相同的信息：0 和 1 的疊加態(tài)。

然后，研究人員可以將這個量子態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個量子比特，也就是鮑勃系統(tǒng)人造金剛石中的碳原子核上。這樣做可以釋放鮑勃系統(tǒng)中的電子，然后再將其與查理系統(tǒng)的另一個電子糾纏在一起。

通過對鮑勃系統(tǒng)中的電子和碳原子核進行特定的量子計算，研究人員就可以將愛麗絲和鮑勃糾纏在一起，并將鮑勃和查理糾纏在一起。

結(jié)果就是愛麗絲與查理糾纏在一起，這使得數(shù)據(jù)能夠在所有三個節(jié)點之間傳送。

當數(shù)據(jù)以這種方式傳輸時，不受傳輸距離影響，也不會丟失。“信息可以從網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點輸入，然后出現(xiàn)在另一側(cè)，”漢森說。

這些信息也無法被攔截。以量子隱形傳態(tài)技術(shù)為基礎(chǔ)的未來量子互聯(lián)網(wǎng)可能會提供一種理論上無法破解的新型加密技術(shù)。

需要清楚的是，實驗中不同節(jié)點之間相距只有大約不到 20 米。但之前的實驗表明，量子系統(tǒng)可以在更長的距離上實現(xiàn)糾纏。

人們希望，經(jīng)過數(shù)年的研究，量子隱形傳態(tài)將能夠在遠距離上可行。“我們現(xiàn)在正試圖在實驗室之外做這件事，”漢森說。

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