量子網絡進行時：科學家在非相鄰節點間實現了量子比特隱形傳態

儘管許多科幻作品都有描繪將人物“即時傳送”到另一處的場景，但這種設想迄今仍是個天方夜譚。不過從 2022 年 5 月 25 日發表於《自然》雜誌上的一項新研究來看，我們似乎距離數據的即時傳送又近了一步。具體說來是，科學家們創造了一套被稱作“量子比特隱形傳態”的數據傳輸方法。

視頻截圖（via QuTech）

荷蘭代爾夫特理工大學的一支物理學家團隊解釋稱，這項研究突破將允許數據自由流動，而無需通過導電銅纜或光纖等介質。

儘管多家科技巨頭都在尋求實現量子計算機的“量子霸權”，但在缺乏“量子互聯網”加持的情況下，其應用場景仍相當受限。

傳統計算機採用的二進制（binary），其布爾數值只能是“0”或“1”（bit），而一個量子比特（qubit）可同時具有疊加態。

From Alice to Charlie the next step for the quantum internet – QuTech（via）

言歸正傳，代爾夫特理工大學團隊嘗試了在三個節點之間傳送數據（此前只能在兩點之間）。

通過這項實驗，科學家們驗證了可在多個站點之間實現量子比特的“隱形傳態”。

研究領隊、該校物理學家 Ronald Hanson 表示：“目前我們正在實驗室中搭建小型量子網絡，但最終設想是建立起一套功能完整的量子互聯網”。

研究配圖 – 1：非相鄰節點之間的量子比特傳態

同在探索量子隱形傳態、來自因斯布魯克大學實驗物理研究所的 Tracy Eleanor Northup 指出：

以 Google 為例，現如今的網絡服務器會知道你想在它的服務器上運行些什麼。但量子計算機能夠在解決相關問題的同時，而不涉及這方面的機密。

至於量子計算機運行所需的量子比特，則是利用了粒子在極小（如電子 / 輕粒子）、或接近絕對零度時的表現出來的奇怪行為方式。

研究配圖 -2：高保真糾纏網絡鏈接

展望未來，研究人員預計量子計算機可加速新葯研發、推動人工智能技術發展、甚至被用於創造更安全的加密技術。

由於量子通訊的任何節點之間都無需導電介質，即使在連接存在高損耗的情況下，量子互聯網仍可在節點間實現可靠的傳輸、而不會丟失任何實際數據。

其利用了被稱作“糾纏”的量子特性 —— 當其中一套量子系統狀態發生變化時，與之糾纏的另一個也會在相距無論多遠的情況下發生對應的變化。

研究配圖 – 3：內存量子比特的相干性和讀數

值得一提的是，Hanson 博士及其團隊使用了氮空位系統（Nitrogen Vacancy System），以通過合成鑽石中的一個很小空間來捕獲電子。

研究團隊總共打造了三套這樣的系統，並分別將之命名為 Alice、Bob 和 Charlie 。

實驗期間，他們先向 Alice 和 Bob 發送了單個光子（光粒子），以糾纏屬於它們的兩個電子（都被賦予了相同的自旋）。

三套裝置之一的 Alice 特寫（圖自：Marieke de Lorijn / QuTech）

接着研究人員將電子狀態轉移到 Bob 合成鑽石內的碳核，通過釋放 Bob 的電子來實現與 Charlie 的糾纏。

經由這樣的一套量子流程，研究人員得以將 Alice、Bob 和 Charlie 兩兩糾纏到一起，從而化解了無法在兩個非相鄰節點間實現量子數據的傳態難題。

研究配圖 – 4：非相鄰網絡節點之間的量子比特隱形傳態

綜上所述，這套方法使得數據能夠直接從 Alice 傳遞到 Charlie，因為它們現在也出於相互糾纏的狀態。

當數據使用量子比特隱形傳態的方式傳輸時，它不會丟失、甚至無法受到阻礙，理論上可將加密等級提升到牢不可破的水平。

最後，儘管當前實驗的量子比特傳態僅在大約 60 英尺的距離內開展，但科學家們希望未來可以拓展到數英里的範圍，以最終構建出一套高度安全、可靠的新型量子計算機或量子互聯網絡。