清華量子糾纏實現突破意味著什麼？

科技觀察

未來不僅通過量子介面可以實現量子通信和量子互聯網的聯網，而且通信和網速將極大提高。

近日，清華大學交叉信息研究院段路明教授研究團隊宣布其在量子信息領域取得重要進展，首次實現25個量子介面之間的量子糾纏。該成果的研究論文已在4月20日出刊的美國《科學》雜誌子刊《科學進展》刊載。

這項成果的發布意味著什麼呢？

即有了更高效率的量子介面，它用於實現量子信息在傳遞粒子（光子）和存儲粒子（通常為原子）之間相互轉化，是連接量子存儲器或量子計算單元與光量子通信通道間的重要界面。因此，量子介面也是量子通信（領域）中的一個基本元器件。

量子是指能表現出某物質或物理量特性的最小單元。粒子又是指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分。因此，物理學上把由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象稱為量子糾纏。

糾纏就是最小的物質，如粒子（光子）、原子之間的接觸、疊加、纏繞，也即信息傳遞和交流，正因為有這樣的交流，可以讓量子通信、量子計算機、量子互聯網得以實現。

瞬時轉移有了「介面」

量子糾纏需要量子介面，但是首先要保證不同類型的粒子可以互相糾纏在一起，才能進行量子信息的傳播，而且量子介面越大，就越能接入更多信息並進行量子交流，從而擴大量子網路的規模。

段路明團隊通過光束復分技術，通過實驗首次實現了25個量子介面之間的量子糾纏，比此前最高紀錄的4個量子介面之間的糾纏提高了約6倍。這也意味著未來不僅通過量子介面可以實現量子通信和量子互聯網的聯網，而且通信和網速將極大提高。

從人類通信史來看，從電話線上網（儘管是寬頻）到光纖已經是一個飛躍，速度和流量也只提升數百倍而已。但如果用上量子通信，傳輸效率就要比5G的光纖信道高出上億乃至萬億倍。

量子通信當然需要介質，光束或光纖就是傳遞粒子的重要介質，在所有的信息載體里，光子跑得最快，所以光束既是信息載體，又是信息本身。研究表明，高速激光或許是量子通信更好的介質，採用高速激光通信技術可以完成高速數據傳輸，同時突破高解析度衛星成像數據傳輸的有限瓶頸，因而能夠形成「瞬時」傳輸的量子網路。

2017年6月，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉等人利用「墨子號」量子科學實驗衛星進行實驗，在1200千米的通信距離上，以衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kb的安全密鑰，平均成碼率可達1.1kb/s。這個技術稱為星地雙向量子糾纏分發，其傳輸效率比目前同等距離地面光纖信道高出20個數量級，即提升萬億億倍。

這是一個什麼概念呢？大約就是一個人步行到火星與光速到達火星之間的差距。或者說，現在的光纖互聯網在1秒內下載一部高清電影，而量子互聯網可以在1秒內下載億萬部高清電影。

為量子網路建立前提

量子介面不僅要讓信息傳遞快，還要準確。段路明團隊研發的量子介面就是要保證對應的粒子進行準確對接。因為，任何量子粒子都可通過相互作用產生糾纏，同時粒子與外界很多環境粒子也會產生糾纏，從而導致雜訊產生。

在過去，粒子與外界環境粒子產生的糾纏被認為是不可控的，現在有了量子介面，就可以精準對接，形成純凈可控的糾纏，建立量子信號的單線聯繫，互不干擾。因此，這是量子互聯網和量子通信的一個基礎。

建立量子互聯網的另一個基礎是構建量子網路。除了利用光束或激光進行量子信息傳輸外，也有一些科學家在實驗建立混合型量子網路。

不過，建立純粹的量子網路具有更充足的理由，因為這是一種保密性更強的互聯網。量子通信的特點是，不可分割、複製、測量，因而不易被破譯竊聽。不可分割使得竊聽者無法將量子分割進行測量。即便可以強行測量也會留下痕迹，改變數子的狀態，使竊聽行為暴露。而且量子本身有不確定性，即便竊聽者截取了量子，也不能精準復原正確的量子狀態，得到的是錯誤信息。因此，量子網路可以讓用戶在安全保密的狀態下通信。

有了量子網路和連接千家萬戶的量子介面，量子互聯網才能實現。因此，現在的研究為量子通信進一步夯實了基礎。

張田勘（學者）

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