空間跳躍有望實現:可持續量子隱形傳態已達44公裡

2021-02-08 騰訊網

本月初，一篇名為《通往量子網際網路的隱形傳態系統》（Teleportation Systems Toward a Quantum Internet）的文章由Raju Valivarthi等研究人員發布在一個物理評論雜誌《PRX QUANTUM》上。

這個研究量子隱形傳態的團隊是由美國能源部的費米實驗室，加州理工學院，卡爾加裡大學和AT＆T鑄造廠等合作夥伴組成的，他們宣布了對長距離持續的高保真量子隱形傳態的首次展示，傳送距離已達44公裡。

在講這個重大突破之前，我們先來講講量子和量子隱形傳態。

之前我有提過，量子是參與相互作用的任何物理實體的最小數量，但它既是波也是粒子，也可以說它既不是波也不是粒子。因為當你說它是波時，它有幹涉和衍射但卻沒有確定物理量；說它是粒子時它可數也有確定的質量和電荷，但卻沒有確定的軌道。

而量子隱形傳態技術，實際上並不涉及傳統意義上的物質轉移，主要是量子態從一個位置到另一個位置的轉移。換句話說，在不改變量子位置的情況下，把特定的信息在遠端的另一個量子上重建起來，卻不需要真正的介質。

量子隱形傳態這個概念我們其實經常會在科幻片裡看到，瞬間傳輸或者蟲洞跳躍大多是基於這個理念。如果換成更常見的東西，就像是《魔獸世界》遊戲裡法師的「閃現」，卻無殘影；也像是魔術裡的「大變活人」，但變出來的主要是數據；還可以像是蘋果系統的「隔空傳送」，但距離更遠，形式上也有所不同。

量子隱形傳態聽起來比較難懂，但它需要的東西其實並不多。主要是需要基於一種物理世界裡的量子糾纏現象去實現。通過量子糾纏，位於不同位置的兩個粒子無論距離多遠，「糾纏」的一對粒子共享的編碼信息都可以在它們之間傳遞。

量子糾纏現象是在1935年由愛因斯坦（Albert Einstein）等人在對他人文章有所質疑時發現的。當一對或一組粒子以某種方式生成，相互作用時，就會發生這種現象。這種現象會令這些粒子中每一個粒子的量子態都不能獨立於其他粒子，即便是將它們分開存放。

處於糾纏態的兩個微觀粒子無論相距多遠都存在著一種關聯，如果一個粒子被測量並改變狀態，則另一粒子的狀態將相應地進行改變，就像雙胞胎之間有「心靈感應」一般。通過量子糾纏，位於不同位置的兩個粒子通過一種看不見的力連接在一起，這種力被愛因斯坦稱為「遠距離的鬼動作」。

但這個糾纏現象又跟心靈感應有所不同。比如，生成了一對糾纏的粒子，其中一個粒子在第一個軸上具有順時針旋轉，則另一個粒子的旋轉在同一軸上測得，但會被發現是逆時針方向。或者是，如果一個光子的偏振態是向上的，那麼另一個光子的偏振態將會是向下的。

但是，這種糾纏行為也會產生看似矛盾的效果：對粒子性質的任何測量都會導致不可逆的波函數崩潰並改變糾纏的粒子的原始量子態，這類測量會影響整個糾纏的系統。所以在很長一段時間裡，科學家們的目標就是製備出不會被輕易改變原始量子態的糾纏光子，用來進一步研究量子隱形傳態。

量子隱形傳態並不是個全新發現，但這個團隊的突破之所以值得拎出來大講特講，主要有下面幾個原因。

一是先前許多關於量子隱形傳態的研究被證實在長距離內不穩定。比如2016年有項世界紀錄一般的重大成就，講的是卡爾加裡大學的研究人員能夠在6公裡的距離內進行量子隱形傳態。

二是目前的研究人員希望擴大這種量子隱形傳態的規模，可以使用量子糾纏來發送信息，同時還可使用量子存儲器來存儲信息。

三是在此前的7月，美國能源部公布了首個量子網際網路的藍圖，該量子網際網路計劃將多個國家實驗室連接起來。

所以，這項研究可以為「可行的量子網際網路奠定基礎」。根據這個研究團隊的說法，功能量子網際網路可以通過糾纏，在遠距離上共享以量子比特存儲的信息，它將改變安全通信，數據存儲，精確感測和計算等領域。故而他們認為高保真量子隱形傳態對於安全的長距離通信和實用的量子網際網路至關重要。

這個團隊表示，研究主要目的是傳送量子比特的狀態。所以他們建立了一個具有三個節點的緊湊網絡：愛麗絲，查理和鮑勃。

在這個實驗裡，愛麗絲向查理髮送了一個量子比特。鮑勃有一對糾纏的量子比特，並且還向查理髮送了一個量子比特，在此幹擾了愛麗絲的量子比特。查理將愛麗絲的量子比特投影到糾纏的量子貝爾狀態，該狀態將愛麗絲的原始量子比特的狀態轉移到鮑勃的其餘量子比特。

這個過程演示了一種量子隱形傳態協議，由愛麗絲髮送的光子量子比特與鮑勃的糾纏光子對中的一個量子比特發生幹涉，並被查理投射到貝爾狀態，從而使愛麗絲的量子位狀態可以轉移到鮑勃糾纏的光子對的其餘成員上。

根據實驗，在愛麗絲和查理（鮑勃和查理）之間引入了多達22（11）km的單模光纖，在鮑勃處又引入了多達11 km的單模光纖。所有量子位均以時鐘速率生成，其所有測量值均使用數據採集（DAQ）系統收集。

通過共享這些量子計算基本單位的量子比特，研究人員希望能夠創建以驚人速度共享信息的量子計算機網絡。

這個團隊的測量是在加州理工學院和費米實驗室的量子網絡測試臺（CQNET，FQNET）上進行的，使用了與現有的電信基礎設施和新興的量子技術都兼容的「現成的」設備，以及最先進的固態光檢測器。他們以成功的貝爾狀態測量（BSM）為條件，對時空量子比特進行量子隱形傳態，平均波長為1536.5 nm F≥90％。

為了說明網絡兼容性，在量子比特生成和傳輸的量子比特的測量之間，使用多達44公裡的單模光纖進行傳輸，並使用半自治控制，監視和同步系統來促進傳輸，隨後使用了可伸縮的採集硬體來收集結果。

總的來說，這個試驗的傳送保真度仍受到疊加狀態下準備的傳送量子比特的限制，並且，在赫茲範圍內的光纖長度目前隱形傳送速率仍然很低。但是，這個團隊最終很成功地將保真度大於90%的光子量子比特和帶有窄帶糾纏光子對的時空量子比特傳送到了44公裡的光纖上，為將來的全球量子網際網路奠定了基礎。

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    中科大學者實現高效的高維量子隱形傳態】記者從@中國科學技術大學 獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒、柳必恆研究組近期利用6光子系統，實現了高效的高維量子隱形傳態。實驗結果表明，量子幹涉可見度在45小時內保持在98%，高維量子隱形傳態保真度達59.6%，為構建高效的高維量子網絡打下堅實基礎。
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