很多人小時候都玩過傳聲筒游戲：A將消息小聲告訴B，然后B將他聽到的內(nèi)容小聲告訴C，依此類推，玩過的人都知道，最后傳達(dá)到的信息往往和真實消息完全不同。

從某種意義上說，這和中繼器技術(shù)的重要性強相關(guān)。中繼器是一種旨在避免信息傳達(dá)失真的設(shè)備。如果沒有中繼器，通過連接發(fā)送的數(shù)據(jù)可能會變得無用。從本質(zhì)上講，如果沒有中繼器，我們就無法獲得大規(guī)模的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

雖然我們有各種各樣的傳統(tǒng)中繼器，但還沒有一個功能齊全的量子中繼器。隨著量子計算機(jī)的發(fā)展，科學(xué)家開始需要將這些計算機(jī)連接在一起，量子中繼器也將成為必需品。

Paul Kwiat是Kwiat量子信息組負(fù)責(zé)人兼伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校教授，他也是Q-NEXT量子通信工作的領(lǐng)導(dǎo)者，Q-NEXT是美國能源部（DOE）國家量子信息科學(xué)研究中心，由美國能源部阿貢國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)。Q-NEXT是一個由來自三個國家實驗室、10所大學(xué)和14家公司共約100名專家組成的組織，正在開發(fā)控制和分發(fā)量子信息所需的科學(xué)和技術(shù)。

Kwiat說：“我們的目標(biāo)是以比現(xiàn)有系統(tǒng)更好的方式實現(xiàn)和發(fā)展長距離的量子通信鏈路，這需要創(chuàng)建量子中繼器。”

復(fù)制問題

量子世界是一個奇怪的領(lǐng)域，對于人類來說很難理解。我們的經(jīng)驗和量子領(lǐng)域之間的差異之一：是量子比特不能復(fù)制。

傳統(tǒng)的中繼器是傳聲筒游戲的專家。許多經(jīng)典的中繼器不是混淆孩子們在竊竊私語中傳遞的信息，而是有效地獲取他們被告知的信息，以一些數(shù)據(jù)的形式出現(xiàn)，精確地復(fù)制幾次，然后將這些副本發(fā)送到下一個節(jié)點。

對于量子計算專家來說，當(dāng)你使用量子比特（量子信息的基本單位）而不是常規(guī)計算機(jī)中使用的經(jīng)典比特時，過程并不簡單。就像薛定諤的貓，量子系統(tǒng)在被測量之前沒有確定的狀態(tài)，而測量它們的行為本身就可以改變這些量子物體的狀態(tài)。事實上，Erwin Schr?dinger將他的貓問題概念化，指出我們不能像理解人類世界那樣去理解量子世界。

Kwiat說：“你可以復(fù)制經(jīng)典的比特，但如果你有一個量子比特，而你不知道它的狀態(tài)是什么，你就無法如實地復(fù)制它，因為存在噪聲?！?/p>

Kwiat提到的“噪聲”是量子計算領(lǐng)域面臨的最大挑戰(zhàn)之一。為了簡化這個復(fù)雜問題，打個比方：量子噪聲有點像我們在聚會上聽到的噪音。在音樂和其他人說話的聲音中，我們很難聽清朋友的聲音。

在量子計算中，這種噪聲不是人類能聽到的。它可以是來自附近Wi-Fi的電磁信號或地球磁場中的微小干擾。

那么，如果科學(xué)家不能復(fù)制他們對經(jīng)典系統(tǒng)所做的工作，他們將如何創(chuàng)建一個量子中繼器來實現(xiàn)長距離的量子網(wǎng)絡(luò)？

雖然我們還沒有一個功能齊全的量子中繼器，但可以對它們的工作方式提出一些要求。一個有希望的途徑是糾纏交換。

糾纏交換解決方案

當(dāng)兩個或多個量子相互作用時，就會發(fā)生糾纏，它們不再彼此獨立。每個量子都有某些特性，如動量、位置或極化，可以與它糾纏的另一個粒子的相同特性強耦合。

糾纏態(tài)的一個特例是貝爾態(tài)，它是兩個量子比特的最簡單和最大糾纏量子態(tài)。如果兩個粒子以相同的方式獨立測量，即使每個結(jié)果本身都是隨機(jī)的，它們也會產(chǎn)生相同的結(jié)果。就好像兩枚硬幣在不同的城市被拋出，但總是給出相同的結(jié)果。

其中一種應(yīng)用是量子隱形傳態(tài)，糾纏的概念可用于在共享糾纏的各方之間轉(zhuǎn)移未知的量子態(tài)。如果一個傳送的粒子本身被另一個粒子糾纏在一起，我們就有了糾纏交換的過程。為了便于說明，我們先介紹Alice, Bob 和 Christine。

想象一下，他們每個人都控制著量子。Christine和Alice共享一對糾纏的量子，Christine和Bob也是如此。目標(biāo)是讓Bob的量子與Alice的量子糾纏在一起，但它們沒有直接的聯(lián)系。

Bob 和 Alice 將各自從準(zhǔn)備已知的貝爾對開始，這是兩個量子比特的糾纏量子態(tài)。Alice會向Christine發(fā)送一個準(zhǔn)備好的量子比特并保留一個，Bob也會向Christine發(fā)送一個量子比特并保留一個。Christine在她新獲得的量子比特之間執(zhí)行貝爾投影，并執(zhí)行糾錯，導(dǎo)致Bob發(fā)送給Christine的量子比特被傳送給Alice，反之亦然。凈效應(yīng)是Bob和Alice的量子比特現(xiàn)在彼此糾纏，從而在更長的鏈路上產(chǎn)生糾纏，并為大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

像這樣的糾纏交換將成為未來量子中繼器的基礎(chǔ)，因為它們將原本未連接的節(jié)點鏈接在一起。把它想象成在嘈雜的派對上玩?zhèn)髀曂灿螒?。如果一個人沒有聽到正確信息，就無法正確傳遞信息，量子中繼器也是如此。目前為止，在長且有損耗的通道上傳輸量子信息而不會丟失或破壞脆弱的量子態(tài)，糾纏交換是最有效的方法。未來的量子中繼器將依賴于糾纏交換，Q-NEXT正在努力更好地了解如何構(gòu)建這些中繼器。

價值是什么？

量子計算本質(zhì)上是一個難以理解的話題，因此人們經(jīng)常問這項技術(shù)的實際價值是什么。為了理解為什么需要量子中繼器，我們需要討論通過量子網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的價值。

量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用之一是密碼學(xué)。在網(wǎng)絡(luò)上移動數(shù)據(jù)會帶來攻擊者竊取或更改數(shù)據(jù)的風(fēng)險，因此必須采取安全措施。

量子密鑰分發(fā)（QKD）是一種有前途的技術(shù)，它依賴于量子中繼器。QKD是一種安全的通信方法，利用量子物理學(xué)的獨特屬性來保護(hù)數(shù)據(jù)免受攻擊者的攻擊。如果我們希望QKD高效且有效，我們需要將網(wǎng)絡(luò)傳播到很遠(yuǎn)的距離。因此，強大的量子中繼器將用于大規(guī)模QKD部署。

量子網(wǎng)絡(luò)的第二個應(yīng)用涉及量子計算機(jī)。對這種處理器進(jìn)行安全和遠(yuǎn)程編程的唯一方法是通過量子鏈路。此外，高速量子網(wǎng)絡(luò)可用于直接連接兩個或多個量子過程，以創(chuàng)建一個巨大的分布式量子處理器。例如，兩臺量子計算機(jī)作為一個整體，比它們獨立行動更強大。如果每個量子處理器比經(jīng)典計算機(jī)強大一百萬倍，那么它們的糾纏貢獻(xiàn)則強大一百萬倍。

最后，量子網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)非常靈敏的分布式量子傳感器。例如，Kwiat指出，隨著量子網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，望遠(yuǎn)鏡和宇宙研究將迅速發(fā)展。現(xiàn)在，我們依靠一種方法，可以采用一系列物理望遠(yuǎn)鏡并結(jié)合它們的輸入數(shù)據(jù)，來模擬一個巨大的望遠(yuǎn)鏡，但這些方法僅適用于無線電波或短距離。量子中繼器可以幫助我們更有效地將望遠(yuǎn)鏡連接在一起。

Kwiat說：“如果使用量子網(wǎng)絡(luò)將兩個望遠(yuǎn)鏡連接在一起，就可以將信號從一個望遠(yuǎn)鏡傳送到另一個望遠(yuǎn)鏡。如果已經(jīng)有效地啟動并運行了量子網(wǎng)絡(luò)，那么量子信息的傳輸是無損的。原則上，你可以擁有間距更遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，實現(xiàn)更高的分辨率?！?/p>

當(dāng)然，所有這些發(fā)展都需要一個功能正常的量子中繼器。Q-NEXT希望成為這些設(shè)備開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者。Q-NEXT科學(xué)家正在尋求多種硬件平臺來實現(xiàn)中繼器，包括離子阱、中性原子和超導(dǎo)量子比特，以及這些設(shè)備之間的互連手段。

Q-NEXT還助力于這一領(lǐng)域的全球發(fā)展。例如，Q-NEXT和芝加哥量子交易所在當(dāng)?shù)毓餐M織了第三屆量子中繼器和網(wǎng)絡(luò)研討會。該研討會旨在將量子研究界聚集在一起，討論開發(fā)量子中繼器的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這包括一個名為“從頭開始的量子中繼器網(wǎng)絡(luò)”的教程，該教程無需任何量子經(jīng)驗，他們希望能將這些知識傳播給盡可能多的人。

考慮到來自37個機(jī)構(gòu)和9個國家的約100名研究人員參加了研討會，這對Q-NEXT和整個量子社區(qū)來說顯然是成功的。隨著量子通信技術(shù)的發(fā)展，Q-NEXT將繼續(xù)努力，將量子中繼器推向世界。

這項工作得到了美國能源部國家量子信息科學(xué)研究中心的支持。

關(guān)于阿貢國家實驗室

阿貢國家實驗室致力于解決緊迫的國家科學(xué)技術(shù)問題。作為美國第一個國家實驗室，阿貢在幾乎所有科學(xué)學(xué)科中都進(jìn)行前沿的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。阿貢大學(xué)的研究人員與來自數(shù)百家公司、大學(xué)以及聯(lián)邦、州和市政機(jī)構(gòu)的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位，并為國家創(chuàng)造更美好的未來做好準(zhǔn)備。Argonne的員工來自60多個國家，由UChicago Argonne，LLC為美國能源部科學(xué)辦公室管理。

編譯：卉可

編輯：慕一