文|創瞰巴黎 Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導讀

量子互聯網是一種利用量子力學的奇特現象，如量子糾纏和量子傳送，來實現無損，安全，高效的信息傳輸的網絡。量子互聯網的概念已經提出了幾十年，但是要將它從理論變為現實，還需要克服很多技術上的難題。荷蘭的一支研究團隊首次實現了三節點的量子網絡，并在其中進行了量子隱形傳態。這一突破性的實驗為未來的量子互聯網奠定了基礎。量子隱形傳態究竟是什么？它有什么優勢和挑戰？它將如何改變我們的通信和計算方式？

一覽：

• 荷蘭的研究團隊正在利用一系列最新的技術突破開發量子互聯網，用量子隱形傳態傳輸量子位。
• 這種“牢不可破”的隱形傳態可以在距離遙遠的粒子之間瞬時傳輸量子狀態。
• 荷蘭量子計算研究中心QuTech 團隊首次成功創建了具有三個網絡節點的量子網絡。
• 隨著技術成熟，該系統將能使用更復雜的傳輸協議，有朝一日集成到實際使用的網絡中。

在荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）和荷蘭應用科學研究組織（TNO）組建的荷蘭量子計算研究中心QuTech 中， Ronald Hanson實驗室的研究人員正試圖使用鉆石中的量子比特（qubit）傳輸量子信息。近日，他們成功地證明可以通過量子隱形傳態在兩個非直接連接的節點之間傳輸信息，這是一個史無前例的發現。隱形傳態可用于創建堅固、“牢不可破”的量子互聯網。

說起量子隱形傳態，許多人不禁會想起科幻影視系列《星際迷航》的情節。雖然隱形傳態對于人類等物體來說是不可能的，但對于遵循量子力學的粒子，可以利用其量子態編碼信息，從而實現量子隱形傳態。這個過程不涉及物質的任何物理物質轉移，而是在相隔極遠距離的粒子之間瞬間傳輸量子狀態。信息會在發送端被刪除，并立即出現在接收端。

“量子糾纏——幽靈般的遠程作用”。

隱形傳態的基本原理是，兩個網絡節點Alice和Bob共享一對糾纏粒子（在量子密碼學中，Alice一般被設為消息的發送者，Bob設為接收者）。糾纏態是兩個或多個粒子之間，由于量子相互作用而狀態緊密關聯的情況，粒子無論相距多遠，都能保持這種糾纏聯系。在經典力學里找不到類似的現象。愛因斯坦稱這種效應為“幽靈般的遠程作用”。Alice若與第三個粒子（處于未知狀態）相互作用，并通過經典通信方式將結果傳給Bob，Bob就能重現第三個粒子的初始未知狀態，相當于即時傳送其狀態。

隱形傳態理論早在1993年就被提出，并于1997年在一次光子偏振的隱形傳態實驗中首次得到驗證。自那之后，原子自旋、核自旋和捕獲離子的狀態陸續在實驗室中成功傳態。還有學者在獨立光子之間傳送了“兩個自由度”——自旋和軌道角動量。

01 三節點量子網絡

Ronald Hanson的團隊最近使用鉆石中的“氮空位中心”（NV）作為量子位，制作了有史以來第一個三節點量子網絡。在碳原子晶格中，用氮原子取代部分碳原子，便形成氮空位中心。每個節點包含一個通信量子位，一個節點還包含一個存儲量子位，可以存儲節點中的量子信息。

為了將量子信息從發送端傳送到接收端，兩端各自的量子位須要糾纏在一起。當對發送端的量子位進行貝爾態測量時，其量子態會被傳送，即從發送端的節點消失，并以加密的形式出現在接收端的節點上，可以使用貝爾態測量的結果來解密。也就是說，可以通過傳統通道（例如光纖）將其發送到接收端。

目前為止，這個過程只能在兩個相鄰的網絡節點Alice和Bob之間進行。要添加第三個點（Charlie點）并不容易，因為Alice和Charlie之間的糾纏必須通過Bob創建，糾纏還必須具有高保真度，才能使隱形傳態傳輸成功。

02 創新措施克服技術瓶頸

Ronald Hanson的團隊通過增加探測器數量，克服了上述瓶頸。這些探測器可以更好地識別系統中雜光子發出的“錯誤”信號。團隊還采取措施保護存儲量子位免受通信量子位和晶體環境的干擾，改進其存儲性能，避免“退相干”現象使量子位丟失其包含的量子信息。此外，團隊還實時過濾“壞數據”改進量子位存儲，以提高精確度。

在上述措施的作用下，不相鄰的Alice和Charlie節點之間也能有量子信息傳態了。研究者首先通過Bob的量子位糾纏Alice和Charlie的量子位。然后，Charlie將部分糾纏態存儲在其記憶量子位中，并在其通信量子位上準備好即將傳送的量子態。最終，對Charlie進行貝爾狀態測量，便能將狀態傳送給Alice。

研究人員目前正在努力增加內存量子位的數量，這樣就可以使用更復雜的傳輸協議，還考慮將傳統光纖集成到實驗中，促進新技術未來走出實驗室，應用到現實世界的網絡中。另外，他們正在開發量子網絡“控制堆?！?，類似于傳統互聯網使用的堆棧，這對于有朝一日打造實際可用的量子互聯網也是十分必要的。