美國創建出迄今為止距離最長的單向量子網絡

美國創建出迄今為止距離最長的量子網絡

美國布魯克海文國家實驗室和紐約石溪大學最近的在兩個實驗室之間建立了一個單向量子網絡，從而在創建量子網際網路的道路上達到了一個裡程碑。

雖然研究人員繼續讓量子計算機的能力越來越強，但普通計算機仍然擁有巨大的優勢。它們的數據，以0和1的序列表示，可以在信息高速公路上行駛。而量子計算機則運行在0和1的量子疊加上，無法使用網際網路進行相互通信。

世界各地的多個項目正在努力創建一個量子網際網路，一個量子計算機可以共享和交換信息的網絡。布魯克海文國家實驗室和紐約石溪大學合作的項目證明來自兩臺遙遠的量子計算機的量子比特可以在第三個地點糾纏在一起。

值得注意的是，研究人員是在標準的網際網路電纜上完成的，這是創建量子網際網路的關鍵一步。

費米國家加速器實驗室研究副主任、費米實驗室量子研究所負責人約瑟夫·萊肯說："構建量子網際網路的挑戰是，可以在多大程度上通過我們用於正常通信的那種光纖網絡獲得量子信息？這真的很重要，他們在布魯克海文國家實驗室到紐約石溪大學做的距離比我認為幾乎任何距離都要長。"

一種新的計算需要一種新的網際網路

量子計算機不是經典計算機的超級強大版本。相反，它們是一種全新的計算方式。理論上，量子計算機可以利用疊加和糾纏等量子力學概念來解決某些類型的問題，比如，加密數據或模擬化學反應時出現的問題，量子計算比傳統方法快得多。

量子計算技術仍處於發展的早期階段，許多最有前途的應用仍未實現。

同樣，量子網際網路也不會是今天網際網路的超快和安全版本。相反，它可能會有在計算機之間傳輸量子信息的特殊應用。為了做到這一點，計算機的量子比特被糾纏在一起，這意味著它們被置於疊加狀態，其中它們獨立的可能量子狀態變得相互依賴，然後量子比特成為一個單一的量子系統。測量其中一個量子的狀態會打破疊加，立即影響其他量子的狀態，這一測量/糾纏過程就是量子信息的傳輸方式。

兩臺量子計算機之間的糾纏已經在實驗程度上實現了好幾年，但布魯克海文和石溪的團隊現在已經更進一步。他們創造了美國最長的量子網絡，他們證明了兩臺量子計算機可以通過第三個節點進行糾纏。這是建立量子網際網路的第一步，在這個網絡中，許多計算機可以通過一個中心節點相互 "對話"。

石溪大學的量子比特發生器

為了做這個實驗，研究人員面臨著量子系統特有的挑戰。為了讓組成量子位的量子粒子糾纏在一起， 粒子必須到達節點時完全無法區分彼此， 即使它們是通過不同的路逕到達那裡的。路徑越不同，就越困難，並且布魯克海文和石溪之間的網絡是在傳統的光纜上運行的，這些光纜長達數英裡，要從長島的街區和高速公路下穿過。

布魯克海文計算科學計劃的主任克裡斯汀·克萊斯·范丹說："到處鋪設新的電纜其實並不可行，所以能夠利用已有的東西是很重要的。"

傳輸的量子粒子時，與其環境之間的任何意外相互作用都可能使其與其它粒子區分開來。但儘管有潛在的幹擾源，實驗還是能夠證明，這些粒子可以在傳統的基礎設施上傳輸超過70公裡，並且仍然能夠到達無法區分的程度。

石溪大學量子信息技術組的負責人伊登·菲格羅亞

石溪大學的量子物理學家、該項目的首席科學家伊登·菲格羅亞說："我們的研究證明了這些光子可以被糾纏，測量會有效。"

最近的實驗是單向的：量子計算機將他們的量子位發送到節點，但節點只是簡單地確定它們是否可以被糾纏，並沒有發送任何東西回來。菲格羅亞說，下一步是糾纏計算機的量子記憶，這將類似於連結兩個傳統計算機的硬碟。

菲格羅亞說："未來，我們希望不再只是記憶，而是將計算機糾纏起來，不僅僅是連接硬碟，還包括處理單元。當然，這並不容易。"

量子網際網路離我們有多遠？

量子網際網路剩下的障礙是研究問題和基礎設施問題的混合。其中一個問題是，在量子計算機之間操縱量子比特需要同步和監督，而傳統比特的管理則不需要。這意味著，雖然量子計算機不能直接在網際網路上交換量子信息，但它們仍然需要使用網際網路的傳統計算機進行通信。

能源科學網絡主任英得·蒙加說："如果沒有經典網絡，你不可能建立一個量子網絡並取得成功。你必須通過經典網絡控制、管理和同步量子設備，才能真正在量子網絡的兩端之間傳輸信息。"

蒙加和菲格羅亞表示，這種對傳統網際網路的依賴意味著構建量子網際網路的努力是非常跨學科的。它需要基礎量子計算研究以及通信基礎設施工程方面的專業知識。

蒙加表示："研究問題和工程問題一樣多。要想真正實現量子網際網路的願景，就需要人和資金之間進行強有力的合作，不僅要解決基礎物理學研究問題，還要解決真正宏大的工程挑戰。"

量子網際網路的一個核心障礙是菲格羅亞所說的 "量子通信的聖杯"：量子中繼器。量子中繼器的工作原理就像一個放大器，它接收量子信息信號並將其傳遞出去，這樣計算機之間的糾纏就可以在更遠的距離上發生。這對於製造一個遠距離傳輸的量子網際網路是必要的。但是有一個問題：任何與量子比特的互動都會打破它的疊加，而對於信息的傳輸來說，這在量子比特到達目的地之前是不可能發生的。一個真正的量子中繼器將能夠在不與量子比特互動的情況下放大量子比特，這是一個看似矛盾的任務。

最近的實驗實質上是半個量子中繼器。範丹和菲格羅亞認為在不久的將來就能完成一個量子中繼器。菲格羅亞說，可能最快在2022年完成。他們計劃將糾纏傳輸到布魯克林的第三個實驗室，但需要一個量子中繼器來實現。

菲格羅亞說："我們希望幾年後真的有一個帶中繼器的工作系統。當我們能夠證明量子中繼器連接的那一刻，你只需要一次又一次地複製相同的架構，來連接那些彼此越來越遠的地方。"

他認為，10-15年後，紐約州的量子網絡就能橫跨紐約州。

最後一個障礙則要遙遠得多，在未來，紐約量子網絡與阿貢國家實驗室和芝加哥大學正在建設的網絡，或者歐洲正在建設的網絡相連接。這些網絡的建設使用的是根本不同的量子計算機。紐約網絡使用的計算機，其量子被嵌入到單個被困原子中，而其它網絡則使用所謂的固態系統來製造和操縱量子，這兩種量子計算機以完全不同的架構進行計算。

菲格羅亞說："你可以想像，實際的量子網際網路將是一個基於固態的量子計算機的集合，比如芝加哥的量子計算機和基於原子的量子計算機，比如我們這裡的量子計算機，我們必須找到一種方法來連接所有的量子計算機，以真正拿出量子網際網路的第一個原型。那將是非常酷的，會像科幻小說一樣。"

2020年7月，美國能源部發布了他們創建國家量子網際網路的戰略藍圖。這項工作包括布魯克海文-石溪項目和阿貢-芝加哥大學項目，而這兩個項目又都得到了美國其他國家實驗室的研究支持，比如費米國家加速器實驗室，以及勞倫斯伯克利、橡樹嶺和洛斯阿拉莫斯國家實驗室。

菲格羅亞表示："量子計算浪潮正在向量子網絡發展，因為，除非你把量子計算機連接到這個量子網際網路中，否則它們的應用將受到限制。所以，現在是做這類實驗的好時機。"