隐形传态：量子互联网基础技术

Sophie Hermans

加州理工学院量子信息与物质研究所量子学博士后、AWS学者

量子互联网是一种利用量子力学的奇特现象，如量子纠缠和量子传送，来实现无损，安全，高效的信息传输的网络。量子互联网的概念已经提出了几十年，但是要将它从理论变为现实，还需要克服很多技术上的难题。荷兰的一支研究团队首次实现了三节点的量子网络，并在其中进行了量子隐形传态。这一突破性的实验为未来的量子互联网奠定了基础。量子隐形传态究竟是什么？它有什么优势和挑战？它将如何改变我们的通信和计算方式？

荷兰的研究团队正在利用一系列最新的技术突破开发量子互联网，用量子隐形传态传输量子位。

这种“牢不可破”的隐形传态可以在距离遥远的粒子之间瞬时传输量子状态。

荷兰量子计算研究中心QuTech 团队首次成功创建了具有三个网络节点的量子网络。

随着技术成熟，该系统将能使用更复杂的传输协议，有朝一日集成到实际使用的网络中。

在荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）和荷兰应用科学研究组织（TNO）组建的荷兰量子计算研究中心QuTech 中， Ronald Hanson实验室的研究人员正试图使用钻石中的量子比特（qubit）传输量子信息。近日，他们成功地证明可以通过量子隐形传态在两个非直接连接的节点之间传输信息，这是一个史无前例的发现。隐形传态可用于创建坚固、“牢不可破”的量子互联网。

说起量子隐形传态，许多人不禁会想起科幻影视系列《星际迷航》的情节。虽然隐形传态对于人类等物体来说是不可能的，但对于遵循量子力学的粒子，可以利用其量子态编码信息，从而实现量子隐形传态。这个过程不涉及物质的任何物理物质转移，而是在相隔极远距离的粒子之间瞬间传输量子状态。信息会在发送端被删除，并立即出现在接收端。

“量子纠缠——幽灵般的远程作用”

隐形传态的基本原理是，两个网络节点Alice和Bob共享一对纠缠粒子（在量子密码学中，Alice一般被设为消息的发送者，Bob设为接收者）。纠缠态是两个或多个粒子之间，由于量子相互作用而状态紧密关联的情况，粒子无论相距多远，都能保持这种纠缠联系。在经典力学里找不到类似的现象。爱因斯坦称这种效应为“幽灵般的远程作用”。Alice若与第三个粒子（处于未知状态）相互作用，并通过经典通信方式将结果传给Bob，Bob就能重现第三个粒子的初始未知状态，相当于即时传送其状态。

隐形传态理论早在1993年就被提出，并于1997年在一次光子偏振的隐形传态实验中首次得到验证。自那之后，原子自旋、核自旋和捕获离子的状态陆续在实验室中成功传态。还有学者在独立光子之间传送了“两个自由度”——自旋和轨道角动量。

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三节点量子网络

Ronald Hanson的团队最近使用钻石中的“氮空位中心”（NV）作为量子位，制作了有史以来第一个三节点量子网络。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。每个节点包含一个通信量子位，一个节点还包含一个存储量子位，可以存储节点中的量子信息。

为了将量子信息从发送端传送到接收端，两端各自的量子位须要纠缠在一起。当对发送端的量子位进行贝尔态测量时，其量子态会被传送，即从发送端的节点消失，并以加密的形式出现在接收端的节点上，可以使用贝尔态测量的结果来解密。也就是说，可以通过传统通道（例如光纤）将其发送到接收端。

目前为止，这个过程只能在两个相邻的网络节点Alice和Bob之间进行。要添加第三个点（Charlie点）并不容易，因为Alice和Charlie之间的纠缠必须通过Bob创建，纠缠还必须具有高保真度，才能使隐形传态传输成功。

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创新措施克服技术瓶颈

Ronald Hanson的团队通过增加探测器数量，克服了上述瓶颈。这些探测器可以更好地识别系统中杂光子发出的“错误”信号。团队还采取措施保护存储量子位免受通信量子位和晶体环境的干扰，改进其存储性能，避免“退相干”现象使量子位丢失其包含的量子信息。此外，团队还实时过滤“坏数据”改进量子位存储，以提高精确度。

在上述措施的作用下，不相邻的Alice和Charlie节点之间也能有量子信息传态了。研究者首先通过Bob的量子位纠缠Alice和Charlie的量子位。然后，Charlie将部分纠缠态存储在其记忆量子位中，并在其通信量子位上准备好即将传送的量子态。最终，对Charlie进行贝尔状态测量，便能将状态传送给Alice。

研究人员目前正在努力增加内存量子位的数量，这样就可以使用更复杂的传输协议，还考虑将传统光纤集成到实验中，促进新技术未来走出实验室，应用到现实世界的网络中。另外，他们正在开发量子网络“控制堆栈”，类似于传统互联网使用的堆栈，这对于有朝一日打造实际可用的量子互联网也是十分必要的。

作者

Isabelle Dumé

编辑

Meister Xia