量子遠距傳輸重大突破：NASA首次用城市光纖網路實現

研究人員近日實現了量子遠距傳輸在實驗室之外達到的最高速度。他們利用一套實際的城市網路，把一個光子的量子態傳輸到了3.7英里(約合6公里)之外。圖為用來儲存相互糾纏的光子的晶體。

量子遠距傳輸是通過「量子糾纏」現象實現的。量子糾纏是指，兩個粒子無論相隔多遠，都與彼此存在緊密相連的關係。某種東西只要對其中一個粒子造成了影響，就勢必也會影響到另一個粒子。

研究人員近日實現了量子遠距傳輸在實驗室之外達到的最高速度。他們利用一套實際的城市網路，把一個光子的量子態傳輸到了3.7英里(約合6公里)之外。該實驗採用了加拿大卡爾加里市地下鋪設的光纜。研究人員終於把測試範圍延伸到了真實世界之中，標誌著我們朝實現量子網路的終極目標又邁進了一大步。

如果我們能掌握量子遠距傳輸技術，也許有朝一日便能實現超級安全的信息加密技術，信息發送方在把信息傳輸給接收方的過程中，沒有任何竊聽者能破解這些信息。此次研究由NASA的噴氣推進實驗室、卡爾加里大學、以及美國國家標準技術研究所共同開展。

在此次研究中，研究人員採用了「暗纜」(即尚未使用過的光纜)，以及由噴氣推進實驗室和國家標準技術研究所研發的光子感測器，對實驗中出現的情況做出準確判斷。

而他們也成功開創了新記錄：在真正的城市基礎設施中，把量子態的光子傳輸到了6公里之外。此前雖然也達到過更長的距離，但都是在實驗室中進行的。

「要在實驗室之外的環境中演示量子效應(如量子遠距傳輸等)，我們需要面臨一系列全新的挑戰。」來自噴氣推進實驗室的共同作者之一、弗朗西斯科·馬西里(Francesco Marsili)指出，「此次實驗說明了這些挑戰可以通過怎樣的方式來解決，因此在實現量子網路的征途上，該實驗具有里程碑式的意義。」

「量子通訊利用了量子力學中的一些獨特性質，如用它來為信息加密、或者建立量子計算機網路等等。」量子遠距傳輸是通過「量子糾纏」現象實現的。量子糾纏是指，兩個粒子無論相隔多遠，都與彼此存在緊密相連的關係。某種東西只要對其中一個粒子造成了影響，就勢必也會影響到另一個粒子。

假設一個名叫「光子1號」的粒子與「光子2號」之間存在量子糾纏關係，即使把光子2號傳輸到很遠之外的地方，它們之間的相互聯結關係也依然存在。因此，如果光子2號在遠處碰上了光子3號，並和它產生了相互作用的話，無論光子3號對光子2號造成了什麼影響，都會同樣影響到光子1號。

研究人員指出，這是一種「無形的轉移」，因為光子1號從未與光子3號產生直接的聯繫。我們可以利用這一概念，在兩人之間進行安全的信息傳遞。但這些都屬於量子物理的研究範疇，無論是粒子本身、還是粒子產生的效應，都極其細小微弱，難以對其展開研究。不過，在開展這些實驗時，科學家採用了敏感度極高的光子感測器，大大提高了探測結果的精確程度。

「噴氣推進實驗室和國家標準技術研究所的研究人員們對超導探測器的研發做出了卓越貢獻，讓我們以近乎完美的效率對通信波段上的單個光子進行檢測，同時噪音幾乎為零。」卡爾加里大學量子科學技術研究所的丹尼爾·奧布拉克(Daniel Oblak)表示，「之前的探測器是做不到這一點的，因此，假如沒有噴氣推進實驗室研發的探測器，我們根本無法在現有的光纖網路中開展這樣的實驗。」

量子遠距傳輸技術可以用來建立高度安全的通訊系統，對數據信號進行保護。在今後的研究中，研究人員還將加入中繼器，進一步延長相互糾纏的光子傳輸的距離。他們指出，如果使用了中繼器，再加上「超敏光子探測器」的幫助，他們甚至可以把相互糾纏的光子傳輸到整個國家的另一端。最終，在進行太空通訊時，我們不用中繼器便可實現遠距傳輸，用激光把光子投射到太空中，從地球上實現量子態的遠距傳輸。

「利用先進的超導探測器，我們便能利用單個光子，在太空與地球之間高效地傳遞傳統信息或量子信息了。」噴氣推進實驗室下屬微型設備實驗室的馬特·肖(Matt Shaw)指出，「我們還計劃採用更加先進的探測器，實現與深空之間的光纖通信、以及與國際空間站之間的量子遠距傳輸。」

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