《星際迷航》或成真！激光脈沖量子遠(yuǎn)距傳輸實(shí)現(xiàn)

在《星際迷航》系列影片中，“企業(yè)號(hào)”飛船上的成員們可以在轉(zhuǎn)瞬之間從星球上轉(zhuǎn)移到飛船上，長(zhǎng)距離移動(dòng)看起來(lái)似乎輕而易舉。雖然這些能力顯然是虛構(gòu)出來(lái)的，但研究人員近日利用“量子遠(yuǎn)距傳輸”技術(shù)，成功在相隔幾英里的兩處城市光纖網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了激光脈沖的傳輸。

雖然該研究中使用的方法并不會(huì)將地鐵或公交取而代之，但它將幫助我們建設(shè)黑客無(wú)法入侵的電子通訊網(wǎng)絡(luò)，即所謂的“量子網(wǎng)絡(luò)”。強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)，與其它計(jì)算機(jī)取得聯(lián)系。

把一件物體從宇宙中的一處瞬間轉(zhuǎn)移到另一處、不需要讓它在空間中發(fā)生移動(dòng)，這聽(tīng)上去就像是科幻小說(shuō)中的情節(jié)，但從1998年至今，量子物理學(xué)家一直在開(kāi)展這方面的實(shí)驗(yàn)。目前的量子遠(yuǎn)距傳輸最遠(yuǎn)距離記錄是在2012年創(chuàng)下的，約為143公里，位于加納利群島的兩座島嶼之間。

量子遠(yuǎn)距傳輸依托量子物理的古怪性質(zhì)進(jìn)行。量子物理認(rèn)為，宇宙的基本組成部分、如亞原子粒子等，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，可以同時(shí)存在于兩個(gè)、甚至兩個(gè)以上不同的地方。說(shuō)得更具體一些，量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)幕A(chǔ)是一種名叫“量子糾纏”的奇特現(xiàn)象：無(wú)論兩個(gè)物體相隔多遠(yuǎn)，彼此之間都存在著相互聯(lián)系，并且可以立即對(duì)彼此產(chǎn)生影響。

目前，研究人員還無(wú)法實(shí)現(xiàn)物質(zhì)（如人類(lèi)）的瞬間傳輸，但他們可以利用量子遠(yuǎn)距傳輸技術(shù)來(lái)傳遞信息。例如，要想對(duì)一個(gè)電子進(jìn)行遠(yuǎn)距傳輸，就先要讓它和另一個(gè)電子構(gòu)成量子糾纏關(guān)系。然后其中一個(gè)電子（即用來(lái)傳輸?shù)碾娮樱┝粼谠夭粍?dòng)，另一個(gè)電子則將以實(shí)體形式、被傳輸?shù)饺魏沃付ǖ哪康牡厝ァ?/p>

接下來(lái)，人們將對(duì)用來(lái)傳輸?shù)碾娮拥幕拘畔ⅰ⒒蛘?ldquo;量子態(tài)”進(jìn)行分析，同時(shí)破壞該電子的量子態(tài)。最后，這些信息將被發(fā)往電子傳輸?shù)哪康牡兀迷诹硪粋€(gè)電子身上，從而重新創(chuàng)造出第一個(gè)電子，并且與原來(lái)的沒(méi)有任何區(qū)別。這樣一來(lái)，原來(lái)的電子就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離移動(dòng)。（不過(guò)，由于這些數(shù)據(jù)是通過(guò)光脈沖或電子等常規(guī)信號(hào)傳輸?shù)?，因此量子遠(yuǎn)距傳輸?shù)乃俣炔豢赡艹^(guò)光速。）

有兩支研究團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立地報(bào)告稱(chēng)，自己在相距幾英里的兩處光纖網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了量子遠(yuǎn)距傳輸技術(shù)。這兩支團(tuán)隊(duì)分別來(lái)自中國(guó)合肥和加拿大阿爾伯塔省卡爾加里。

量子遠(yuǎn)距傳輸將是實(shí)現(xiàn)許多未來(lái)技術(shù)的關(guān)鍵。例如，量子密碼學(xué)可以利用量子遠(yuǎn)距傳輸技術(shù)，在兩地之間安全地傳輸數(shù)據(jù)，并能自動(dòng)探測(cè)出任何入侵行為。此外，人們還能在“量子網(wǎng)絡(luò)”中使用量子遠(yuǎn)距傳輸技術(shù)，在不同的量子計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。此前的研究顯示，量子計(jì)算機(jī)在瞬息之間實(shí)現(xiàn)的計(jì)算次數(shù)可以超過(guò)宇宙中所有原子數(shù)量的綜合。

“未來(lái)如果你有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，要是有人想使用它，就可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)上，然后獲得計(jì)算結(jié)果，就像現(xiàn)在的云計(jì)算技術(shù)一樣。”中國(guó)科技大學(xué)的量子工程師張強(qiáng)說(shuō)道，他同時(shí)還是合肥研究團(tuán)隊(duì)的共同主要作者。

在這兩起量子遠(yuǎn)距傳輸實(shí)驗(yàn)中，傳輸點(diǎn)都有三處，之間的距離最長(zhǎng)為12.5公里，模仿了未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造。此前只有一次實(shí)驗(yàn)采用過(guò)三處傳輸點(diǎn)，傳輸點(diǎn)之間的距離還不到一公里。

此前的實(shí)驗(yàn)中使用的是可見(jiàn)光脈沖，因此無(wú)法在光纖中傳輸較遠(yuǎn)的距離。而在這兩起最新實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家采用了日常電信網(wǎng)絡(luò)中使用的紅外光，傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。此外，他們還利用了所在城市中現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)。

要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子遠(yuǎn)距傳輸，激光束必須完全同步，即使具體到單個(gè)光子身上，也必須密不可分才行。并且，就算在復(fù)雜多變的環(huán)境下鋪設(shè)的光纖中傳輸了數(shù)英里，激光束也不能分裂開(kāi)來(lái)。而電信行業(yè)近日正好在單光子探測(cè)器方面取得了一些改進(jìn)，兩支研究團(tuán)隊(duì)都從中有所獲益。

“我們很自豪地看到，在實(shí)際環(huán)境測(cè)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果并不比實(shí)驗(yàn)室測(cè)驗(yàn)的結(jié)果差。”中科大的量子工程師、此次研究的主要作者孫啟超說(shuō)道。

在卡爾加里開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中，傳輸率為每分鐘17個(gè)光子（每小時(shí)1020個(gè)光子），比合肥實(shí)驗(yàn)的傳輸速度快。不過(guò)，巴黎第十一大學(xué)的量子信息研究人員弗雷德里克·格羅桑指出，為了達(dá)到這樣的傳輸速度，卡爾加里的研究人員采用的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該技術(shù)目前的實(shí)用價(jià)值造成了一定限制。

此外，兩支研究團(tuán)隊(duì)都運(yùn)用了各種各樣的方法，確保激光束緊密地聯(lián)結(jié)在一起。他們各采用了一種不同的技術(shù)，而格羅桑認(rèn)為，我們可以把這兩種方法結(jié)合在一起，從而取得更理想的成果。

孫啟超指出，該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向之一是，把量子遠(yuǎn)距傳輸網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到“100公里規(guī)模，實(shí)現(xiàn)城際量子遠(yuǎn)距傳輸”。這需要進(jìn)一步改進(jìn)探測(cè)器的工作效率，同時(shí)對(duì)干擾源加以避免。