5 月 26 日消息，荷蘭代爾夫特理工大學(xué) (Delft University of Technology) 的物理學(xué)家最近使用量子隱形傳態(tài)技術(shù)在三個(gè)處于不同物理位置的節(jié)點(diǎn)之間實(shí)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(xué)家通常只能用量子隱形傳態(tài)技術(shù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)完成量子信息傳輸。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，科學(xué)家可以將一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)延伸到越來越多的點(diǎn)。“我們現(xiàn)在正在實(shí)驗(yàn)室里構(gòu)建小型量子網(wǎng)絡(luò)，”負(fù)責(zé)研究團(tuán)隊(duì)的荷蘭代爾夫特大學(xué)物理學(xué)家羅納德?漢森 (Ronald Hanson) 說。“但我們的想法是最終建立起一個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)。”
目前世界各地的科學(xué)家都在研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，其能夠在幾分鐘內(nèi)完成超級(jí)計(jì)算機(jī)甚至需要數(shù)千年運(yùn)算才能完成的任務(wù)。2019 年秋季，谷歌推出一臺(tái)實(shí)驗(yàn)性量子計(jì)算機(jī)，表明這種研究是可行的。
但如果沒有另一項(xiàng)技術(shù)突破，量子計(jì)算機(jī)將無法發(fā)揮潛力。科學(xué)家需要建立起量子互聯(lián)網(wǎng)，讓不同位置的量子計(jì)算機(jī)可以彼此傳輸量子信息。
荷蘭物理學(xué)家的最新研究論文于本周發(fā)表在科學(xué)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(yuǎn)距離作用”。
這項(xiàng)技術(shù)可以深刻改變?nèi)祟愒诓煌攸c(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的方式。量子隱形傳態(tài)依托量子力學(xué)原理，不僅能夠在量子計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而且還無法攔截。
“這不僅意味著量子計(jì)算機(jī)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(yùn)行什么。”
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過處理“比特”信息來執(zhí)行計(jì)算，每個(gè)比特要么是 1，要么是 0。而量子計(jì)算機(jī)中的量子比特可以存儲(chǔ) 0 和 1 的疊加態(tài)，這意味著兩個(gè)量子比特可以同時(shí)代表 4 個(gè)值，三個(gè)量子比特可以代表 8 個(gè)值，四個(gè)可以代表 16 個(gè)值。隨著量子比特?cái)?shù)量的增長(zhǎng)，量子計(jì)算機(jī)的功能會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
研究人員認(rèn)為，有朝一日量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)加速新藥研發(fā)，推動(dòng)人工智能的進(jìn)步，并迅速顛覆現(xiàn)有的加密技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，各個(gè)機(jī)構(gòu)都在投入巨額資金探索這項(xiàng)技術(shù)。
2019 年，谷歌宣布其機(jī)器已經(jīng)達(dá)到科學(xué)家所謂的“量子超越性”，這意味著其可以執(zhí)行傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。但大多數(shù)專家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)真正派上用途至少還需要幾年時(shí)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(huì)出現(xiàn)斷裂或“退相干”，最終導(dǎo)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(xué)家計(jì)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(qiáng)大又實(shí)用的機(jī)器。
最理想的情況是，這些量子計(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間可以任意發(fā)送信息，就像谷歌和亞馬遜當(dāng)前所提供的云計(jì)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(dǎo)致人們不能簡(jiǎn)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(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方，但它可以利用量子糾纏特性來傳輸信息，也就是一個(gè)量子系統(tǒng)狀態(tài)的變化會(huì)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(dú)描述單一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)了。”“從根本上說，現(xiàn)在雙方處于一個(gè)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(tuán)隊(duì)利用人造金剛石中的氮-空位中心 (Nitrogen-Vacancy center) 來實(shí)現(xiàn)量子糾纏。
研究團(tuán)隊(duì)打造了三個(gè)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(xué)家們可以通過在這些系統(tǒng)之間發(fā)送單獨(dú)光子來實(shí)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(gè)電子糾纏在一起。事實(shí)上，這些電子的自旋狀態(tài)相同，因此能在一個(gè)共同的量子態(tài)中結(jié)合或糾纏在一起，每個(gè)電子都存儲(chǔ)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(gè)量子態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(gè)電子糾纏在一起。
通過對(duì)鮑勃系統(tǒng)中的電子和碳原子核進(jìn)行特定的量子計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳送。
當(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式傳輸時(shí)，不受傳輸距離影響，也不會(huì)丟失。“信息可以從網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(huì)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(shí)驗(yàn)中不同節(jié)點(diǎn)之間相距只有大約不到 20 米。但之前的實(shí)驗(yàn)表明，量子系統(tǒng)可以在更長(zhǎng)的距離上實(shí)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(yuǎn)距離上可行。“我們現(xiàn)在正試圖在實(shí)驗(yàn)室之外做這件事，”漢森說。
關(guān)鍵詞：
