神譯局 發表於 2020-12-16 15:36:19
2020年7月美國政府宣布了建設量子網際網路的藍圖。這份報告稱，基於量子力學的通信系統是「二十一世紀最重要的技術前沿之一」，科學家計劃藉此建立一個「幾乎不可破解的網絡」。能夠更安全地控制和傳輸信息的量子網際網路目前處於發展初始階段，未來將對科學、工業及國家安全相關關鍵領域產生深遠影響。量子網際網路可能首先在銀行和醫療服務等行業推廣，應用於國家安全和航空通信領域，最終對全球每個人的生活產生廣泛影響。量子網際網路究竟是什麼？《探索》雜誌的記者Dan Hurley，深入科研一線進行了觀察，本文是他的記錄，原文標題《The Quantum Internet Will Blow Your Mind. Here’s What It Will Look Like》。
下一代網際網路將依靠革命性的新技術，帶來不可破解的網絡和比光速更快的信息傳播。
這就是「量子伊甸園」，在紐約市以東五十多英裡的布魯克海文國家實驗室裡，Eden Figueroa是量子世界的先驅園丁之一，他正在播下量子網際網路的種子。量子網際網路能夠在遙遠的距離上發送大量的數據，工作速度不僅比現在的網際網路快，而且比光速還快，事實上，就像《星際迷航》中斯波克和柯克船長的傳送機的「遠距傳送」一樣，是瞬間的。
坐在布魯克海文大學光線充足的食堂裡，他那一頭齊肩的黑髮正努力掙脫馬尾辮的束縛，Figueroa是一個土生土長的墨西哥人，也是紐約州立大學石溪分校，他試圖解釋量子網際網路將如何運作。他抓起兩個塑料咖啡杯蓋、一個鹽罐、一個胡椒罐和一小杯水，開始像魔術師打牌一樣在午餐桌上移動它們。
他指著兩個蓋子說：「我這裡有一個探測器，這裡也有一個探測器」。「現在有許多可能性。要麼這兩個放在這裡」，他指著鹽罐，「要麼這兩個放在那裡」，對著那杯水點點頭。「然後根據那裡發生的事情，那將是我在這裡準備的狀態，」他說，舉起黑胡椒罐，「那是我在這裡準備的。」
一頭霧水嗎？我也一樣，但別擔心。在美國、歐洲和中國，只有幾百名左右的物理學家真正理解如何利用量子物理學中一些最奇怪、最前言的方面。在這個奇怪的舞臺上，物體可以同時以兩種或兩種以上的狀態存在，稱為疊加態；它們可以在長距離內瞬間相互作用；它們可以閃進閃出。像Figueroa這樣的科學家想利用這種奇異的行為，並將其轉化為一個正常運行的新時代網際網路，他們說，這個網際網路將是堅不可摧的，可以安全地發送信息，不受黑客的攻擊。
Figueroa說，他的小組已經利用光纖基礎設施在石溪校區和布魯克海文校區之間傳輸了他所謂的 「偏振態」（polarization states），加起來有85英裡。布魯克海文實驗室計算科學計劃主任Kerstin Kleese van Dam說，這是「世界上最大規模的量子網絡之一，也是美國距離最長的量子網絡」。
下一步， Figueroa 希望遠距離傳送他的基於量子的信息，穿過長島灣，到康乃狄克州的耶魯大學。然後，他想向東50英裡，利用現有的光纜與長島和曼哈頓連接。
Kleese Van Dam表示，雖然歐洲和中國的其他團體擁有更多的資金，並且在技術上的研究時間更長，但在美國，「［Figueroa］在未來一兩年內組建量子網絡所需的知識和設備方面處於領先地位。」
David Awschalom是芝加哥大學普利茲克分子工程學院自旋電子學和量子信息教授、芝加哥量子交換所所長，他是該領域的傳奇人物，他稱Figueroa的工作是「一個做得非常周到和非常好的夢幻般的項目。我很少說一些東西是『最大』的或『最快的』。」他說。「這是目前世界範圍內構建原型量子網絡的努力，作為構建量子網際網路的下一步。」 他說，其他構建量子網絡的努力，正在日本、英國、荷蘭和中國進行，更不用說他自己小組在芝加哥的項目了。
美國能源部在1月份宣布，將花費高達6.25億美元資助2至5個量子研究中心，這讓推動了美國量子方面的努力。此舉是美國總統川普於2018年12月21日籤署的美國國家量子計劃的一部分。
但是，這個叫做量子網際網路的東西，到底是什麼？它是如何運作的呢？Figueroa著迷於他的設想，他以極具感染力的熱情向我講述他的計劃，時而大笑，仿佛這一切簡單到一個孩子（或者文科生）都能理解。我不想讓他失望，就點了點頭，假裝自己知道他到底在說什麼。
在去年夏天和Figueroa一起度過了兩天，跟著他在布魯克海文的校園裡和附近的石溪校園，得到了他的未來主義設備的第一手資料，與世界各地的其他物理學家交談，閱讀了幾本書，瀏覽了幾十篇文章和研究後，我開始有點明白了。理解地不深，類似與我弄明白了內燃機如何運作，或衝水馬桶是怎麼運作的，所以你也可以理解。
解開量子糾纏
Figueroa把我領到他在石溪實驗室的一個房間，他是量子信息技術小組的負責人，向我展示了一張大桌子，上面布滿了由小鏡子、雷射器和電子器件組成的迷宮。「這就是我們創造這些攜帶疊加的光子的地方。」他說，「然後我們可以把這些光子送進光纖。明白麼？就這麼簡單。」
好吧，說起來確實簡單。
讓人好奇的是，量子網際網路的所有意義都可以追溯到一個實驗，這個實驗非常簡單，你可以在客廳裡做。被稱為雙縫實驗（double-slit experiment），它是200多年前由英國博學家Thomas Young首次進行的。
Young看到，當用一束光照在一塊並排開有兩個狹縫的平面材料板上時，通過狹縫的光在面板後面的屏幕上形成了一個由暗帶和亮帶組成的幹涉特性圖案。只有從兩個狹縫中發出的波，光波，才能形成這樣的圖案。Young認為，1704年發表光的粒子理論的牛頓是錯誤的。光是以波的形式出現的，而不是以粒子的形式出現的。
但到了20世紀初，科學家們已經證實，光也是以粒子的形式出現的，物理學家吉爾伯特-N-路易斯稱之為光子，或者說是量子。而令人難以置信的是，研究人員發現，即使單光子在雙縫板上一次一次地被送飛，另一邊仍然會出現幹擾圖案。他們意識到，每一個粒子也是一種波，像奶油奶酪的碎片一樣散開，因此同時穿越兩個狹縫，從而在另一邊幹擾自己。
想一想，一個光粒子同時在兩個地方，這意味著在一個地方撓痒痒一個粒子，它在另一個地方也會傻笑。在一個地方觀察它，應該能發現它的雙胞胎的一些情況。Erwin Schrödinger稱這種現象為糾纏，正是Figueroa和其他研究人員現在利用它來發送信息的原因。簡單地說，在一個位置的粒子上添加信息，如信息或數據，將使數據出現在另一個位置：遠程瞬間傳輸的本質。
但是，我問Figueroa，所有這些瘋狂的想法如何在實踐中發揮作用，用螺母和螺栓和機器設備？
「讓我告訴你，神奇的事情發生在哪裡。」他說。
量子記憶
「這只是設備和光學儀器。」他告訴我，指著一張大桌子上配置的雷射器和鏡子陣列。「這就是人們所說的成人樂高。」在一端，一個雷射器將高能的藍色光子瞄準一個晶體，它將每個晶體分解成一對能量較低的紅色光子；所產生的兩個紅色光子中的每一個現在都與另一個糾纏在一起。Figueroa指出了光子從鏡子到鏡子的路徑。「這就是為什麼我們有這個美麗的系統，這是在工作，這也是有美感的。」他說。
一旦糾纏在一起，一個紅色光子會被短距離地送到走廊下Figueroa實驗室的探測器上，而另一個則可以被送到十幾英裡外的Brookhaven國家實驗室的探測器上。不同的距離會導致兩個光子的到達時間稍微不同步，從而破壞它們的糾纏。為了防止這種情況發生，Figueroa必須找到一種方法來協調各方的到達時間，精確到亞納秒。
但怎麼做呢？其他量子實驗室將他們呆在家裡的光子凍結到接近絕對零度，以此來踩剎車。相比之下，Figueroa的創新在室溫下就能工作：一個一英寸長的玻璃管，裡面有數萬億銣原子的霧氣。第一天早上，當我參觀Figueroa的實驗室時，他把其中一根管子放在我手裡。
「這是什麼？」 我問他。
他笑著說：「量子記憶。」
Figueroa告訴我，早在他攻讀德國康斯坦茨大學博士學位時，他就曾問過教授，是否可以建立一個在室溫下工作的系統，而不需要昂貴、複雜的冷凍機。
「我不認為可能。」有人告訴他。「但你可以證明我錯了。」
於是，他就這麼做了。通過將光子從一系列精心放置的鏡子上彈射出去，並用雷射網絡轟擊銣原子的霧氣，Figueroa發現，他可以調整糾纏光子的波長，以廣播銣霧中的電子可以接收的信號。瞧！ 光子的糾纏狀態被瞬間轉移到整個原子云中。幾分之一納秒後，糾纏的光子繼續前進，與它的孿生子在同一時刻到達探測器。
令人難以置信的是，自2012年完成博士學位以來，Figueroa已經將整個容納量子記憶的系統微型化，變成了一個比隨身行李箱還小的可攜式設備，小到可以安裝在數據中心的普通計算機伺服器機架上，如果量子網際網路要成為主流，這是一項至關重要的創新。正如他的同事和合作者Dimitrios Katramatos當天晚些時候告訴我的那樣。「它們是可攜式的，對吧？所以，有一天我們把它們中的一些裝在一輛貨車上，從石溪帶到布魯克海文。」
「他開著他妻子的麵包車。」Figueroa笑著說。「從那時起，我們就把它叫做量子麵包車。」
糾纏交換
然而，另一個問題依然存在，無論是Figueroa還是Katramatos（或者世界上任何其他量子工程師）至今都沒有完全想通：如何通過光纜成功地傳輸量子糾纏的光子，因為60英裡左右就會出現障礙，光子會無意中與電纜、其外殼甚至地面上的光線相互作用，從而破壞其糾纏。
Figueroa解釋說，提出的解決方案是一種叫做「糾纏交換」的東西。全世界的量子工程師都在爭先恐後地將這個概念應用到工作原型上。
「這個想法到現在已經有20年了。」哈佛大學著名量子理論家和實驗家米哈Mikhail Lukin說。「到現在為止，還沒有人成功地製造出一個能夠用於實際應用的。據我所知，這就是Figueroa的小組要做的事情。」
為了解釋他的計劃，Figueroa把我領進一間小會議室，在那裡，他把所有的計劃都畫在白板上。
「讓我給你看一些非常酷的東西。」他說。
他解釋說，與其只創建一對糾纏光子並試圖將其發送到100英裡以外的實驗室，不如在位於25英裡和75英裡處的兩個不同分站創建第二組糾纏對。這些分站將把一對光子中的一個光子射向對方，另一個射向兩個實驗室中最近的一個。當兩對光子中的每一對光子在50英裡處相遇時，它們將發生糾纏，自動糾纏遠處實驗室中的其他剩餘光子。一旦這種糾纏被共享，Figueroa 想要發送的信息就可以被傳送到100英裡外的實驗室，克服障礙。
「你看到了嗎？」他充滿魅力的語氣說。「很簡單。」
量子未來
如果傳送的不僅僅是信息，不僅僅是消息，還包括粒子、分子、細胞甚至柯克船長呢？當1997年12月報導了第一個糾纏的實驗演示時，IBM物理學家Charles H. Bennett告訴《紐約時報》。「即使在細菌這樣的小東西上也完全不可行」 （應該指出的是，Bennett在四年前就創造了量子傳送一詞，所以你會認為他是正確的）。
但21年後的2018年秋天，牛津大學的研究人員報告了正是Bennett所說的「完全不可行」：活的細菌與光子的糾纏。然而，並不是所有的物理學家都被這一發現所說服，因為它們是基於牛津團隊對另一個小組實驗的分析。但是，沒有人知道量子革命會走多遠，當然Figueroa也不知道。
「這些設備會做的很多事情，我們還在努力想辦法。」他告訴我。「目前，我們只是試圖創造出能用的技術。真正遠大的可能性還有待發現。」
在離開他之前，我問Figueroa，他的朋友、家人和鄰居是如何試圖理解他的神秘工作的。他給我講了一個關於他嶽父的故事。當Figueroa在德國進行博士後研究的時候，他妻子的父親前來拜訪。在帶他參觀了兩個小時的實驗室後，Figueroa問他對這一切有什麼看法。
「你在裡面說的話我一句也沒聽懂。」他嶽父說，「但我知道這是我見過的最神奇的東西。」
我也是感同身受。這就是我在拜訪Figueroa之前的感覺，通過電話反覆詢問他，閱讀他的論文，標題很誇張，比如「一種單原子量子記憶 」和 「擠壓光的量子記憶」。但在這一切之後，整個事情對我來說開始變得有意義了。我希望你現在也能明白，或多或少吧。
責任編輯:tzh
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