量子网络：鬼魅般的超距作用

StefanoPirandola&SamuelL.Braunstein+李雨蒙

大约在25年前，物理学家们发现了“瞬间传输”的量子体系。这种瞬间移动就是完美复制原始量子。爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子状态瞬间传输就是利用量子的这种特性，把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态。这样的特性能够提供一个可靠高效的方式在网络间传递量子信息，也能够超越传统网络，确保通讯和分布式计算能力。

实际上，量子信息以多种形式存在着，比如一个光子的两极化状态，电子的自转或是原子的激发状态。目前，已经发展出多种技术用以传输这样的状态。可是，目前依然存在许多阻碍技术发展的问题。比如，两极化光量子能在超过100公里的范围内用于传输量子信息，但只是从概率上说。超导设备通过芯片无损地通讯，但是只维持一瞬间，之后就有可能被其他相互作用争夺了信息传输。

两种方式

现在，全球在远距离通信方面最先进的科技是用于可见光的量子信息的瞬间传输。量子信息以（quantumbits）量子比特为单位计或是qubits，这些可以通过光一瞬间分散的特性表现，比如它的两级状态，或是以电磁波的连续状态形容，比如微波电场的密度和强度。瞬间传输信息，需要发送和接收双方都拥有一对纠缠的量子系统。当发送者改变系统状态时，接收者系统会同样受到影响。

两极化量子比特在距离方面的表现最好，其最高纪录能达到143公里。不过目前，仅有50%的量子比特能够瞬间传输。实际上，瞬间传输需要传送方进行名为“铃流检测“的操作。操作中，两个量子的两极被充分相连形成四种可能性组合。简单的光学和光电探测器能够最多分辨两种。

长距离的传输也会带来进一步的技术难题，比如对大气乱流和地面活动的弥补。所以，需要利用一些先进科技同步传输的两端，比如使用原子钟。现代经典的通讯更加依赖于卫星技术。

持续变量的体系衡量所有铃流检测的结果更加容易，只用简单的线性光学和标准的光电探测器即可进行。这样的系统能够同时传送许多量子比特，因此在高速量子通讯中更加青睐使用这样的系统。

我们需要找到一种方式能够综合分散变量（长距离传输）与持续变量（快速确定的传输）中最好的特性。有实验表明，将分散量子比特与持续变量纠缠粒子的结合，就能够完整瞬间传输量子信息。我们需要进一步研究扩大实验中的距离，并整合其他量子技术类型，比如用于移动通讯储存的量子存储器。混合技术的研究需要在不同领域、不同团队之间展开更广泛的合作与交流。

量子网络

实现全球分布的量子计算机或量子网络，其中最大的阻碍之一就是网络之间纠缠的节点。所谓量子比特（量子位）能够在任意两个量子之间瞬间移动，并且依靠本地量子计算机进行处理。

理想状态的节点，在任意一双量子间纠缠，或是创造出一个巨大多重纠缠的“团簇”，向所有的节点散布。团簇状态就是连接实验室中创造出的数以千计的节点。而最大的挑战就是证明它们如何在长距离之间展开，就如同怎样在各节点存储量子态一样，以及如何利用量子节点不断地更新它们。

在近乎完美的精确和大容量下，量子存储器需要将电磁辐射转化为物理变化。“自转集合”代表了一种量子存储器。超冷原子气体包括了100万原子的铷元素，它能够将单个的光量子转化为称为自转波的集合原子。储存时间接近100毫秒，需要在全球之间发送光信号。

量子网络需要存储器存入量子信息，保护信息免受不需要的交互作用的影响。因此，量子计算需要通过这样存储器的技术支持以及通过中继器实现长距离的量子纠缠分布。

超导量子比特是以物理数量定义的，比如电感器的流量或电容器的电荷，通过释放或吸收微波光量子，与量子处理器之间相互作用。为达到固体量子存储的成功集合，量子信息的可逆的存储和检索将成为可能。这需要微波光量子与固态量子存储器原子自转之间有效的交接，与处理器相连接。如果成功，这项混合技术将是最有希望扩大成为大型分布式的量子计算机的设备。

另一方面，量子计算对经典计算做了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看做是一类特殊的量子计算。量子网络对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。

未来的发展

为了实现这一愿景，量子瞬间传输科技需要发展以下三方面：

第一，在分散变量与连续变量之间进行更多的理论与实践相结合的研究。这样可以综合目前各种不同的研究方法，进行整合深入发掘最佳的成果。继续进行两极化量子比特的卫星实验，利用自由空间或光纤进行跨越城市之间的信息互通的连续变量的瞬间传输。

第二，最成功的技术就是整合数据通信和数据存储。我们需要促进超导量子处理器和固态量子存储器之间找到更加高效的结合点。这能够改善微波光子存储与检索性能。而下一步切实的发展，是实现在超导量子比特与本地量子存储器的氮晶格空位中心之间进行芯片上的瞬间传输。

第三，投资此项技术展示了可扩展的潜质。比如，微波光纤传感器能够有效地在芯片上连接微波光量子与光纤量子，并且设计与整合远距离量子传输。配对的传感器连接两个遥远的芯片，为超导量子比特之间进行远距离的量子传输做好技术准备。

编译自《自然》杂志