8 月 31 日消息，美國賓夕法尼亞大學(xué)的工程師團隊已在現(xiàn)實場景中，首次使用當今互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議（IP），在商業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)上傳輸量子信號，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《科學(xué)》期刊。該團隊利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，推動量子互聯(lián)網(wǎng)從理論層面邁向了現(xiàn)實應(yīng)用。

量子信號的一大顯著特性是強度極弱：一旦對其進行測量，就會失去量子糾纏特性；而環(huán)境中過多的噪聲，也會導(dǎo)致信號無法讀取。不過，工程師們此次成功實現(xiàn)了突破 —— 讓量子信號在常規(guī) IP 信號占用的繁忙互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中完成傳輸。

這一傳輸成果的核心在于“Q 芯片”（Q-Chip），這是賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的一款硅基芯片，專門用于在互聯(lián)網(wǎng)中協(xié)調(diào)傳統(tǒng)信號與量子信號。其全稱是“光子量子 - 經(jīng)典混合互聯(lián)網(wǎng)芯片”（Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics），能夠?qū)藴市盘柵c量子信號打包整合，使其可在城市光纖互聯(lián)網(wǎng)線路中穩(wěn)定傳輸。該芯片兼具收發(fā)功能，無需對量子關(guān)聯(lián)信號進行測量，就能自動修正噪聲干擾。

據(jù)了解，量子計算與傳統(tǒng)計算分屬完全不同的技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)計算機依靠晶體管、比特和電子進行運算，以“0”和“1”（即“開”與“關(guān)”的狀態(tài)）表示信息；而量子計算的原理則截然不同，其借助量子比特（qubit），利用量子糾纏效應(yīng)，使量子比特不僅能表示“0”和“1”，還能呈現(xiàn)這兩種狀態(tài)之間無數(shù)種疊加形態(tài)。

但量子糾纏的應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性：一旦量子信號被測量，其量子特性就會消失。在薛定諤的思想實驗中，將一只貓與放射性同位素一起放在封閉的盒子里，只有打開盒子觀察貓，才能確定它是活的還是死的。量子粒子的情況與之相似：未被觀測時，它們可處于“疊加態(tài)”（既非“0”也非“1”）；而一旦被觀測，量子關(guān)聯(lián)便會斷裂，最終只能呈現(xiàn)“0”或“1”的確定狀態(tài)。這一特性使得量子信號的互聯(lián)網(wǎng)傳輸難度極大。

該項目的博士生羅伯特?布羅伯格在接受 Phys.org 采訪時解釋道：“常規(guī)網(wǎng)絡(luò)會通過測量數(shù)據(jù)來引導(dǎo)其抵達最終目的地，但純量子網(wǎng)絡(luò)無法這樣操作 —— 因為對量子粒子的測量會直接破壞其量子態(tài)。”

為解決這一難題，Q 芯片采用了“列車式組合”方案：將量子信號與基于光的標準互聯(lián)網(wǎng)信號配對。其中，標準互聯(lián)網(wǎng)信號如同“引擎”，負責路由導(dǎo)航；量子信號則像“貨物”，伴隨其一同傳輸，且在整個傳輸過程中，兩端均不會對量子信號進行測量。這種配對機制還能實現(xiàn)噪聲修正：由于收發(fā)兩端的 Q 芯片均知曉標準信號的預(yù)期狀態(tài)，因此可先對光基標準信號進行誤差修正，再據(jù)此推斷出量子信號的修正方案。

該研究論文的資深作者馮亮（Liang Feng，音譯）表示：“我們的研究證明，集成芯片能夠在 Verizon 這類現(xiàn)役商用網(wǎng)絡(luò)中處理量子信號，且使用的是運行傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的同款協(xié)議。這一成果為開展更大規(guī)模實驗、構(gòu)建實用化量子互聯(lián)網(wǎng)邁出了關(guān)鍵一步。”

馮亮和羅伯特?布羅伯格

從理論上講，Q 芯片系統(tǒng)可在該校所在地費城的 Verizon 光纖網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點運行，同時也適用于其他城市的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。不過，要實現(xiàn)量子信號的長距離重復(fù)傳輸，仍需進一步研究 —— 這是構(gòu)建城市間乃至更遠距離量子互聯(lián)網(wǎng)連接的必要前提。

當前，量子計算正不斷向現(xiàn)實應(yīng)用邁進，而這項“依托現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施傳輸量子信號”的研究具有不可估量的價值。量子技術(shù)的下一步發(fā)展方向雖仍存在不確定性，但各國政府與企業(yè)均在積極投入，力爭率先實現(xiàn)其實際應(yīng)用落地。