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量子网络进行时：科学家在非相邻节点间实现了量子比特隐形传态

时间：2022-06-14

尽管许多科幻作品都有描绘将人物“即时传送”到另一处的场景，但这种设想迄今仍是个天方夜谭。不过从 2022 年 5 月 25 日发表于《自然》杂志上的一项新研究来看，我们似乎距离数据的即时传送又近了一步。具体说来是，科学家们创造了一套被称作“量子比特隐形传态”的数据传输方法。

荷兰代尔夫特理工大学的一支物理学家团队解释称，这项研究突破将允许数据自由流动，而无需通过导电铜缆或光纤等介质。

尽管多家科技巨头都在寻求实现量子计算机的“量子霸权”，但在缺乏“量子互联网”加持的情况下，其应用场景仍相当受限。

传统计算机采用的二进制（binary），其布尔数值只能是“0”或“1”（bit），而一个量子比特（qubit）可同时具有叠加态。

言归正传，代尔夫特理工大学团队尝试了在三个节点之间传送数据（此前只能在两点之间）。

通过这项实验，科学家们验证了可在多个站点之间实现量子比特的“隐形传态”。

研究领队、该校物理学家 Ronald Hanson 表示：“目前我们正在实验室中搭建小型量子网络，但最终设想是建立起一套功能完整的量子互联网”。

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研究配图 - 1：非相邻节点之间的量子比特传态

同在探索量子隐形传态、来自因斯布鲁克大学实验物理研究所的 Tracy Eleanor Northup 指出：

以 Google 为例，现如今的网络服务器会知道你想在它的服务器上运行些什么。但量子计算机能够在解决相关问题的同时，而不涉及这方面的机密。

至于量子计算机运行所需的量子比特，则是利用了粒子在极小（如电子 / 轻粒子）、或接近绝对零度时的表现出来的奇怪行为方式。

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研究配图 -2：高保真纠缠网络链接

展望未来，研究人员预计量子计算机可加速新药研发、推动人工智能技术发展、甚至被用于创造更安全的加密技术。

由于量子通讯的任何节点之间都无需导电介质，即使在连接存在高损耗的情况下，量子互联网仍可在节点间实现可靠的传输、而不会丢失任何实际数据。

其利用了被称作“纠缠”的量子特性 —— 当其中一套量子系统状态发生变化时，与之纠缠的另一个也会在相距无论多远的情况下发生对应的变化。

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研究配图 - 3：内存量子比特的相干性和读数

值得一提的是，Hanson 博士及其团队使用了氮空位系统（Nitrogen Vacancy System），以通过合成钻石中的一个很小空间来捕获电子。

研究团队总共打造了三套这样的系统，并分别将之命名为 Alice、Bob 和 Charlie 。

实验期间，他们先向 Alice 和 Bob 发送了单个光子（光粒子），以纠缠属于它们的两个电子（都被赋予了相同的自旋）。

接着研究人员将电子状态转移到 Bob 合成钻石内的碳核，通过释放 Bob 的电子来实现与 Charlie 的纠缠。

经由这样的一套量子流程，研究人员得以将 Alice、Bob 和 Charlie 两两纠缠到一起，从而化解了无法在两个非相邻节点间实现量子数据的传态难题。

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研究配图 - 4：非相邻网络节点之间的量子比特隐形传态

综上所述，这套方法使得数据能够直接从 Alice 传递到 Charlie，因为它们现在也出于相互纠缠的状态。

当数据使用量子比特隐形传态的方式传输时，它不会丢失、甚至无法受到阻碍，理论上可将加密等级提升到牢不可破的水平。

最后，尽管当前实验的量子比特传态仅在大约 60 英尺的距离内开展，但科学家们希望未来可以拓展到数英里的范围，以最终构建出一套高度安全、可靠的新型量子计算机或量子互联网络。

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