美国创建出迄今为止距离最长的单向量子网络

发布网友发布时间：2022-08-28 00:04

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热心网友时间：2023-11-12 05:46

美国布鲁克海文国家实验室和纽约石溪大学最近的在两个实验室之间建立了一个单向量子网络，从而在创建量子互联网的道路上达到了一个里程碑。

虽然研究人员继续让量子计算机的能力越来越强，但普通计算机仍然拥有巨大的优势。它们的数据，以0和1的序列表示，可以在信息高速公路上行驶。而量子计算机则运行在0和1的量子叠加上，无法使用互联网进行相互通信。

世界各地的多个项目正在努力创建一个量子互联网，一个量子计算机可以共享和交换信息的网络。布鲁克海文国家实验室和纽约石溪大学合作的项目证明来自两台遥远的量子计算机的量子比特可以在第三个地点纠缠在一起。

值得注意的是，研究人员是在标准的互联网电缆上完成的，这是创建量子互联网的关键一步。

费米国家加速器实验室研究副主任、费米实验室量子研究所负责人约瑟夫·莱肯说："构建量子互联网的挑战是，可以在多大程度上通过我们用于正常通信的那种光纤网络获得量子信息？这真的很重要，他们在布鲁克海文国家实验室到纽约石溪大学做的距离比我认为几乎任何距离都要长。"

量子计算机不是经典计算机的超级强大版本。相反，它们是一种全新的计算方式。理论上，量子计算机可以利用叠加和纠缠等量子力学概念来解决某些类型的问题，比如，加密数据或模拟化学反应时出现的问题，量子计算比传统方法快得多。

量子计算技术仍处于发展的早期阶段，许多最有前途的应用仍未实现。

同样，量子互联网也不会是今天互联网的超快和安全版本。相反，它可能会有在计算机之间传输量子信息的特殊应用。为了做到这一点，计算机的量子比特被纠缠在一起，这意味着它们被置于叠加状态，其中它们独立的可能量子状态变得相互依赖，然后量子比特成为一个单一的量子系统。测量其中一个量子的状态会打破叠加，立即影响其他量子的状态，这一测量/纠缠过程就是量子信息的传输方式。

两台量子计算机之间的纠缠已经在实验程度上实现了好几年，但布鲁克海文和石溪的团队现在已经更进一步。他们创造了美国最长的量子网络，他们证明了两台量子计算机可以通过第三个节点进行纠缠。这是建立量子互联网络的第一步，在这个网络中，许多计算机可以通过一个中心节点相互 "对话"。

为了做这个实验，研究人员面临着量子系统特有的挑战。为了让组成量子位的量子粒子纠缠在一起，粒子必须到达节点时完全无法区分彼此，即使它们是通过不同的路径到达那里的。路径越不同，就越困难，并且布鲁克海文和石溪之间的网络是在传统的光缆上运行的，这些光缆长达数英里，要从长岛的街区和高速公路下穿过。

布鲁克海文计算科学计划的主任克里斯汀·克莱斯·范丹说："到处铺设新的电缆其实并不可行，所以能够利用已有的东西是很重要的。"

传输的量子粒子时，与其环境之间的任何意外相互作用都可能使其与其它粒子区分开来。但尽管有潜在的干扰源，实验还是能够证明，这些粒子可以在传统的基础设施上传输超过70公里，并且仍然能够到达无法区分的程度。

石溪大学的量子物理学家、该项目的首席科学家伊登·菲格罗亚说："我们的研究证明了这些光子可以被纠缠，测量会有效。"

最近的实验是单向的：量子计算机将他们的量子位发送到节点，但节点只是简单地确定它们是否可以被纠缠，并没有发送任何东西回来。菲格罗亚说，下一步是纠缠计算机的量子记忆，这将类似于链接两个传统计算机的硬盘。

菲格罗亚说："未来，我们希望不再只是记忆，而是将计算机纠缠起来，不仅仅是连接硬盘，还包括处理单元。当然，这并不容易。"

量子互联网剩下的障碍是研究问题和基础设施问题的混合。其中一个问题是，在量子计算机之间操纵量子比特需要同步和监督，而传统比特的管理则不需要。这意味着，虽然量子计算机不能直接在互联网上交换量子信息，但它们仍然需要使用互联网的传统计算机进行通信。

能源科学网络主任英得·蒙加说："如果没有经典网络，你不可能建立一个量子网络并取得成功。你必须通过经典网络控制、管理和同步量子设备，才能真正在量子网络的两端之间传输信息。"

蒙加和菲格罗亚表示，这种对传统互联网的依赖意味着构建量子互联网的努力是非常跨学科的。它需要基础量子计算研究以及通信基础设施工程方面的专业知识。

蒙加表示："研究问题和工程问题一样多。要想真正实现量子互联网的愿景，就需要人和资金之间进行强有力的合作，不仅要解决基础物理学研究问题，还要解决真正宏大的工程挑战。"

量子互联网的一个核心障碍是菲格罗亚所说的 "量子通信的圣杯"：量子中继器。量子中继器的工作原理就像一个放大器，它接收量子信息信号并将其传递出去，这样计算机之间的纠缠就可以在更远的距离上发生。这对于制造一个远距离传输的量子互联网是必要的。但是有一个问题：任何与量子比特的互动都会打破它的叠加，而对于信息的传输来说，这在量子比特到达目的地之前是不可能发生的。一个真正的量子中继器将能够在不与量子比特互动的情况下放大量子比特，这是一个看似矛盾的任务。

最近的实验实质上是半个量子中继器。范丹和菲格罗亚认为在不久的将来就能完成一个量子中继器。菲格罗亚说，可能最快在2022年完成。他们计划将纠缠传输到布鲁克林的第三个实验室，但需要一个量子中继器来实现。

菲格罗亚说："我们希望几年后真的有一个带中继器的工作系统。当我们能够证明量子中继器连接的那一刻，你只需要一次又一次地复制相同的架构，来连接那些彼此越来越远的地方。"

他认为，10-15年后，纽约州的量子网络就能横跨纽约州。

最后一个障碍则要遥远得多，在未来，纽约量子网络与阿贡国家实验室和芝加哥大学正在建设的网络，或者欧洲正在建设的网络相连接。这些网络的建设使用的是根本不同的量子计算机。纽约网络使用的计算机，其量子被嵌入到单个被困原子中，而其它网络则使用所谓的固态系统来制造和操纵量子，这两种量子计算机以完全不同的架构进行计算。

菲格罗亚说："你可以想象，实际的量子互联网将是一个基于固态的量子计算机的集合，比如芝加哥的量子计算机和基于原子的量子计算机，比如我们这里的量子计算机，我们必须找到一种方法来连接所有的量子计算机，以真正拿出量子互联网的第一个原型。那将是非常酷的，会像科幻小说一样。"

2020年7月，美国能源部发布了他们创建国家量子互联网的战略蓝图。这项工作包括布鲁克海文-石溪项目和阿贡-芝加哥大学项目，而这两个项目又都得到了美国其他国家实验室的研究支持，比如费米国家加速器实验室，以及劳伦斯伯克利、橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室。

菲格罗亚表示："量子计算浪潮正在向量子网络发展，因为，除非你把量子计算机连接到这个量子互联网中，否则它们的应用将受到*。所以，现在是做这类实验的好时机。"