量子網絡：鬼魅般的超距作用

StefanoPirandola&SamuelL.Braunstein+李雨蒙

大約在25年前，物理學家們發現了“瞬間傳輸”的量子體系。這種瞬間移動就是完美復制原始量子。愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”。在量子狀態下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關聯，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。量子狀態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行拆分，將其中一個光子發送到特定位置，兩地之間只需要知道其中一個光子的即時狀態，就能準確推測另外一個光子的狀態。這樣的特性能夠提供一個可靠高效的方式在網絡間傳遞量子信息，也能夠超越傳統網絡，確保通訊和分布式計算能力。

實際上，量子信息以多種形式存在著，比如一個光子的兩極化狀態，電子的自轉或是原子的激發狀態。目前，已經發展出多種技術用以傳輸這樣的狀態。可是，目前依然存在許多阻礙技術發展的問題。比如，兩極化光量子能在超過100公里的范圍內用于傳輸量子信息，但只是從概率上說。超導設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

現在，全球在遠距離通信方面最先進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）量子比特為單位計或是qubits，這些可以通過光一瞬間分散的特性表現，比如它的兩級狀態，或是以電磁波的連續狀態形容，比如微波電場的密度和強度。瞬間傳輸信息，需要發送和接收雙方都擁有一對糾纏的量子系統。當發送者改變系統狀態時，接收者系統會同樣受到影響。

兩極化量子比特在距離方面的表現最好，其最高紀錄能達到143公里。不過目前，僅有50%的量子比特能夠瞬間傳輸。實際上，瞬間傳輸需要傳送方進行名為“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一步的技術難題，比如對大氣亂流和地面活動的彌補。所以，需要利用一些先進科技同步傳輸的兩端，比如使用原子鐘。現代經典的通訊更加依賴于衛星技術。

持續變量的體系衡量所有鈴流檢測的結果更加容易，只用簡單的線性光學和標準的光電探測器即可進行。這樣的系統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。

我們需要找到一種方式能夠綜合分散變量（長距離傳輸）與持續變量（快速確定的傳輸）中最好的特性。有實驗表明，將分散量子比特與持續變量糾纏粒子的結合，就能夠完整瞬間傳輸量子信息。我們需要進一步研究擴大實驗中的距離，并整合其他量子技術類型，比如用于移動通訊儲存的量子存儲器。混合技術的研究需要在不同領域、不同團隊之間展開更廣泛的合作與交流。

量子網絡

實現全球分布的量子計算機或量子網絡，其中最大的阻礙之一就是網絡之間糾纏的節點。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算機進行處理。

理想狀態的節點，在任意一雙量子間糾纏，或是創造出一個巨大多重糾纏的“團簇”，向所有的節點散布。團簇狀態就是連接實驗室中創造出的數以千計的節點。而最大的挑戰就是證明它們如何在長距離之間展開，就如同怎樣在各節點存儲量子態一樣，以及如何利用量子節點不斷地更新它們。

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化為物理變化。“自轉集合”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，它能夠將單個的光量子轉化為稱為自轉波的集合原子。儲存時間接近100毫秒，需要在全球之間發送光信號。

量子網絡需要存儲器存入量子信息，保護信息免受不需要的交互作用的影響。因此，量子計算需要通過這樣存儲器的技術支持以及通過中繼器實現長距離的量子糾纏分布。

超導量子比特是以物理數量定義的，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量子存儲器原子自轉之間有效的交接，與處理器相連接。如果成功，這項混合技術將是最有希望擴大成為大型分布式的量子計算機的設備。

另一方面，量子計算對經典計算做了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看做是一類特殊的量子計算。量子網絡對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子并行計算。

未來的發展

為了實現這一愿景，量子瞬間傳輸科技需要發展以下三方面：

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

第二，最成功的技術就是整合數據通信和數據存儲。我們需要促進超導量子處理器和固態量子存儲器之間找到更加高效的結合點。這能夠改善微波光子存儲與檢索性能。而下一步切實的發展，是實現在超導量子比特與本地量子存儲器的氮晶格空位中心之間進行芯片上的瞬間傳輸。

第三，投資此項技術展示了可擴展的潛質。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，并且設計與整合遠距離量子傳輸。配對的傳感器連接兩個遙遠的芯片，為超導量子比特之間進行遠距離的量子傳輸做好技術準備。

編譯自《自然》雜志