前不久，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用單光子干涉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離量子存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的量子糾纏，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)基于量子糾纏的城市范圍的三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)工作使得現(xiàn)實(shí)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的距離從之前以往的幾十米提升至幾十公里級(jí)別，相關(guān)成果于2024年5月發(fā)表在了國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

那么什么是量子糾纏網(wǎng)絡(luò)？它的意義在哪里？

神奇的量子糾纏

量子糾纏是量子力學(xué)中的一個(gè)奇特現(xiàn)象，它描述了兩個(gè)或多個(gè)粒子關(guān)聯(lián)在一起的一種量子疊加態(tài)，也可以是單個(gè)粒子的不同物理量關(guān)聯(lián)在一起的量子態(tài)。這種關(guān)聯(lián)的形成往往受到守恒定律限制，如動(dòng)量守恒或能量守恒等等。把這些量子疊加態(tài)放在一起的所有組合中，去掉那些不符合守恒定律的部分，剩下的就是量子糾纏態(tài)。

對(duì)于兩個(gè)粒子的量子糾纏來(lái)說(shuō)，即使這兩個(gè)粒子相隔很遠(yuǎn)，它們的量子狀態(tài)也不能獨(dú)立描述，只能通過(guò)整體的量子糾纏波函數(shù)來(lái)描述。當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，確定了其狀態(tài)后，另一個(gè)粒子的狀態(tài)立即確定。這種超越了經(jīng)典物理學(xué)的跨時(shí)空關(guān)聯(lián)，被愛(ài)因斯坦稱為“spooky action at a distance”，即“幽靈般的超距作用”。

量子比特傳輸

量子糾纏可以用來(lái)傳輸量子信息的最小單元量子比特，稱之為量子遠(yuǎn)程傳態(tài)。既然遠(yuǎn)距離的量子糾纏就能夠遠(yuǎn)距離傳輸量子比特，如果量子糾纏能夠組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，那么就可以在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)距離傳輸量子比特。而無(wú)論是未來(lái)分布式量子計(jì)算，還是分布式的量子傳感和量子精密測(cè)量，都需一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)不斷地遠(yuǎn)距離傳輸量子比特，所以我們首先就要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。

重要的量子存儲(chǔ)器

量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的核心是量子存儲(chǔ)器。如果沒(méi)有量子存儲(chǔ)器，一個(gè)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點(diǎn)的難度是指數(shù)級(jí)，也就是所有兩個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)之間形成量子糾纏的概率要乘在一起，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的發(fā)展很快就會(huì)衰減到接近零。

而有了量子存儲(chǔ)器，兩個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)之間可以先形成量子糾纏，儲(chǔ)存起來(lái)，第三個(gè)節(jié)點(diǎn)也和量子存儲(chǔ)器形成量子糾纏，完成糾纏交換，依次類推，直到量子存儲(chǔ)器不能讀取為止。這樣一個(gè)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點(diǎn)的難度就是對(duì)數(shù)級(jí)，而量子存儲(chǔ)器的壽命和操作精確度決定了量子糾纏網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。

中國(guó)科學(xué)家新突破

量子存儲(chǔ)器本身是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)的技術(shù)，難度甚至不亞于量子計(jì)算機(jī)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在2024年之前也只能支持幾十米的多節(jié)點(diǎn)量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法走出實(shí)驗(yàn)室。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子存儲(chǔ)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)積累和創(chuàng)新的光子相位控制技術(shù)，精確控制了量子存儲(chǔ)器的讀和寫兩束激光的相位差，大幅提高了量子存儲(chǔ)器的操作精確度，從而實(shí)現(xiàn)了相隔十幾千米遠(yuǎn)的三個(gè)量子存儲(chǔ)器之間的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)幾十公里，具備了實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的條件。

所以，這個(gè)工作如同傳輸經(jīng)典比特的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在上世紀(jì)60年代末有了ARPANET這個(gè)雛形，傳輸量子比特的量子糾纏網(wǎng)絡(luò)在本世紀(jì)20年代也有了雛形。

作者：夸密量子創(chuàng)始人張文卓 

審核：北京理工大學(xué)教授尹璋琦 

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