盡管許多科幻作品都有描繪將人物“即時(shí)傳送”到另一處的場景，但這種設(shè)想迄今仍是個(gè)天方夜譚。不過從 2022 年 5 月 25 日發(fā)表于《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究來看，我們似乎距離數(shù)據(jù)的即時(shí)傳送又近了一步。具體說來是，科學(xué)家們創(chuàng)造了一套被稱作“量子比特隱形傳態(tài)”的數(shù)據(jù)傳輸方法。

視頻截圖（via QuTech）

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的一支物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)解釋稱，這項(xiàng)研究突破將允許數(shù)據(jù)自由流動(dòng)，而無需通過導(dǎo)電銅纜或光纖等介質(zhì)。

盡管多家科技巨頭都在尋求實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的“量子霸權(quán)”，但在缺乏“量子互聯(lián)網(wǎng)”加持的情況下，其應(yīng)用場景仍相當(dāng)受限。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用的二進(jìn)制（binary），其布爾數(shù)值只能是“0”或“1”（bit），而一個(gè)量子比特（qubit）可同時(shí)具有疊加態(tài)。

From Alice to Charlie the next step for the quantum internet – QuTech（via）

言歸正傳，代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試了在三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)（此前只能在兩點(diǎn)之間）。

通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們驗(yàn)證了可在多個(gè)站點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)量子比特的“隱形傳態(tài)”。

研究領(lǐng)隊(duì)、該校物理學(xué)家 Ronald Hanson 表示：“目前我們正在實(shí)驗(yàn)室中搭建小型量子網(wǎng)絡(luò)，但最終設(shè)想是建立起一套功能完整的量子互聯(lián)網(wǎng)”。

研究配圖 – 1：非相鄰節(jié)點(diǎn)之間的量子比特傳態(tài)

同在探索量子隱形傳態(tài)、來自因斯布魯克大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所的 Tracy Eleanor Northup 指出：

以 Google 為例，現(xiàn)如今的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會(huì)知道你想在它的服務(wù)器上運(yùn)行些什么。但量子計(jì)算機(jī)能夠在解決相關(guān)問題的同時(shí)，而不涉及這方面的機(jī)密。

至于量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的量子比特，則是利用了粒子在極小（如電子 / 輕粒子）、或接近絕對(duì)零度時(shí)的表現(xiàn)出來的奇怪行為方式。

研究配圖 -2：高保真糾纏網(wǎng)絡(luò)鏈接

展望未來，研究人員預(yù)計(jì)量子計(jì)算機(jī)可加速新藥研發(fā)、推動(dòng)人工智能技術(shù)發(fā)展、甚至被用于創(chuàng)造更安全的加密技術(shù)。

由于量子通訊的任何節(jié)點(diǎn)之間都無需導(dǎo)電介質(zhì)，即使在連接存在高損耗的情況下，量子互聯(lián)網(wǎng)仍可在節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸、而不會(huì)丟失任何實(shí)際數(shù)據(jù)。

其利用了被稱作“糾纏”的量子特性 —— 當(dāng)其中一套量子系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，與之糾纏的另一個(gè)也會(huì)在相距無論多遠(yuǎn)的情況下發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。

研究配圖 – 3：內(nèi)存量子比特的相干性和讀數(shù)

值得一提的是，Hanson 博士及其團(tuán)隊(duì)使用了氮空位系統(tǒng)（Nitrogen Vacancy System），以通過合成鉆石中的一個(gè)很小空間來捕獲電子。

研究團(tuán)隊(duì)總共打造了三套這樣的系統(tǒng)，并分別將之命名為 Alice、Bob 和 Charlie 。

實(shí)驗(yàn)期間，他們先向 Alice 和 Bob 發(fā)送了單個(gè)光子（光粒子），以糾纏屬于它們的兩個(gè)電子（都被賦予了相同的自旋）。

三套裝置之一的 Alice 特寫（圖自：Marieke de Lorijn / QuTech）

接著研究人員將電子狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 Bob 合成鉆石內(nèi)的碳核，通過釋放 Bob 的電子來實(shí)現(xiàn)與 Charlie 的糾纏。

經(jīng)由這樣的一套量子流程，研究人員得以將 Alice、Bob 和 Charlie 兩兩糾纏到一起，從而化解了無法在兩個(gè)非相鄰節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)量子數(shù)據(jù)的傳態(tài)難題。

研究配圖 – 4：非相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的量子比特隱形傳態(tài)

綜上所述，這套方法使得數(shù)據(jù)能夠直接從 Alice 傳遞到 Charlie，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在也出于相互糾纏的狀態(tài)。

當(dāng)數(shù)據(jù)使用量子比特隱形傳態(tài)的方式傳輸時(shí)，它不會(huì)丟失、甚至無法受到阻礙，理論上可將加密等級(jí)提升到牢不可破的水平。

最后，盡管當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的量子比特傳態(tài)僅在大約 60 英尺的距離內(nèi)開展，但科學(xué)家們希望未來可以拓展到數(shù)英里的范圍，以最終構(gòu)建出一套高度安全、可靠的新型量子計(jì)算機(jī)或量子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。