打造未來安全通信方式？美國欲建48千米新型量子網路

圖片來源：scitechdaily

為了使美國在全球激烈的量子加密通信研究競賽中取得領先，美國阿貢國家實驗室和費米國家加速器實驗室的科學家計劃在兩地之間搭建一條長達48千米的量子網路。這個新型量子網路獲得了美國能源部數百萬美元的資助。為了推進這個項目，兩個實驗室和芝加哥大學一同成立了名為「芝加哥量子交流」（Chicago Quantum Exchange）的合作項目。

編譯丨劉孝男

審校丨吳非

量子通信基於量子糾纏現象：作為量子比特信息載體，一對相互糾纏的粒子即使相隔非常遠的距離，它們的量子態會實時同步改變。計劃建造的量子通信網路位於美國芝加哥地區，雖然不是世界上最長的量子網路，但是新的量子網路致力於尋找更加穩定的量子糾纏使用方式，從而探索一種新的量子通信方式，即創造基於固態物質的量子比特。如果成功，它將為更大規模的基於固態量子比特的量子通信網路打下基礎。

「其他量子網路項目著力於連接多個光纖段以擴展通信鏈路，我們不一樣，我們的實驗平台注重尋找能產生牢固、高效和可擴展的量子糾纏的方法，」芝加哥大學自旋電子學和量子信息學教授、芝加哥量子交流項目的領導者David Awschalom說，「如果我們能做到，那麼只要連接上其他鏈路，這個實驗平台就很容易得以擴展。」

這個新型量子網路還將為研究人員探索全新領域、測試新技術提供平台。量子網路或許會成為未來安全通信的基石，甚至最終可能形成全球性的量子互聯網。一旦建成，此類網路還可以幫助擴大量子計算的規模，並且提升實驗室中測量儀器的精密性和計時準確性。

目前，包括中國在內的多數大型量子網路主要依賴於基於光子的量子糾纏，即光子作為量子比特在光纜中傳輸。量子密鑰分發網路中一個常見的方案是讓糾纏光子充當信使，在網路內的節點之間攜帶密鑰。但是，光子傳播的時間越長，它們被吸收或散射的概率就越大，能到達目的地的光子少之又少。

與之相對，在芝加哥量子交流項目的設計中，光子僅僅用來啟動位於網路終端的兩個固態量子比特節點之間的量子糾纏。一旦網路兩端的固態量子比特共享糾纏態，它們就可以通過量子隱形傳態直接在彼此之間傳輸信息。

量子網路示意圖。圖片來源: University of Basel, Department of Physics

固態量子比特來源於「固體中的原子或類原子缺陷」，Awschalom解釋道。這些固態量子比特可以是晶體結構中缺少原子的金剛石和碳化硅，或者是含有單原子雜質的稀土礦物，涉及的材料與現代計算技術中使用的材料是相似的。Awschalom表示，「與的光子相比，固態量子比特壽命長、穩定，並可能擴展到大規模系統。」

作為新量子網路主幹的地下光纜其實早已建好，早在十多年前，作為伊利諾斯州高速數據網路的一部分，新量子網路的骨架——地下光纜就已經安裝到位。研究人員計劃在光纖網路的兩端構建兩個包含了量子比特信號源、存儲器和信號轉換器的節點。

這個新項目是美國加大量子科學研究力度的重要努力之一。現在，亞洲和歐洲的國家也在競相開發量子網路，特別是中國科學家已經展示了光纖量子網路如何與衛星進行量子通信，從而在世界範圍內安全地傳輸信息。

如果美國研製並發射自己的量子衛星，這也是美國將來可能採取的措施。Awschalom說:「我們正在討論，如何在未來將量子衛星作為附加節點併入地面節點，從而構成混合網路。」

參考來源：

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/security/us-national-labs-join-forces-on-a-quantum-network

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