近日，一支由芝加哥大學研究人員大衛(wèi)·克里斯爾（David Christle）領導的國際團隊發(fā)表了一份研究報告，他們證明了利用現(xiàn)有電信網(wǎng)絡的常用材料和協(xié)議，是可以實現(xiàn)量子通信的。這一研究成果標志著，我們朝量子現(xiàn)象的實際應用邁出了重要一步。
       正如物理學期刊《物理評論X》上的論文所詳述的那樣，克里斯爾及其同事利用日常電子設備的常見材料——碳化硅晶片中的原子缺陷，讓粒子實現(xiàn)了量子糾纏。量子糾纏是一種現(xiàn)象，可以讓兩個不同的粒子緊密地聯(lián)系在一起，因而對其中一個粒子施加影響，就會自動影響到另一個粒子。事實上，這些粒子的聯(lián)系是如此緊密，其產(chǎn)生的效果基本上就像是一個粒子同時存在于多個位置。
       克里斯爾及其同事所利用的碳化硅晶片的原子缺陷是指，這種材料中缺失了一個原子，導致相鄰原子對自己的電子進行重新排序。然后，研究人員對一種名為自旋的量子特性加以利用，將信息以量子比特的形式儲存。量子比特與普通計算機的比特很像，只不過，它不是“非0即1”，而是“又0又1”。
       “這項研究工作的一個關鍵性突破在于，我們發(fā)現(xiàn)了原子缺陷的一種內(nèi)在機制，讓我們得以把自旋態(tài)轉(zhuǎn)化為光。”克里斯爾解釋說，“這意味著，我們找到了一種把自旋態(tài)與光子狀態(tài)糾纏在一起的方法。本質(zhì)上，這意味著量子信息不再是固定的，從某種意義上說，它現(xiàn)在是可移動的。
       要理解這如何應用于一套簡單的量子通信系統(tǒng)，我們可以設想，有兩個碳化硅晶片被特定長度的光纖分隔開來，研究人員可以用激光器操縱這些晶片中的缺陷，以產(chǎn)生一個電子自旋態(tài)以及與該電子發(fā)生糾纏的光子。
       光子糾纏是量子通信的核心。由于光子糾纏極端脆弱，因此，它被認為是兩個位置之間進行信息交換的最安全方法之一。當光子糾纏的狀態(tài)被測量時，必然會讓量子系統(tǒng)發(fā)生變化。這意味著，任何試圖攔截量子系統(tǒng)中雙方通信的竊聽者都將擾亂系統(tǒng)本身，并讓雙方意識到竊聽行為的發(fā)生。
       從信息安全的角度看，量子密鑰分配的脆弱性被認為是一件好事。盡管如此，在創(chuàng)建實用型量子通信網(wǎng)絡的過程中，這種脆弱性也造成了一些問題。這是因為，隨著傳輸距離的增加，光子與光纖或與空氣相互作用產(chǎn)生的干擾將愈發(fā)嚴重地降低量子系統(tǒng)的質(zhì)量。到了某個時候，量子系統(tǒng)將完全“退相干”，失去信息載體的作用。
       到目前為止，利用原子缺陷產(chǎn)生糾纏的最長距離紀錄只有不到一英里。在那項實驗中，研究人員利用鉆石中名為“氮-空穴色心”的缺陷產(chǎn)生了糾纏。同碳化硅的缺陷一樣，鉆石的氮-空穴色心能夠長時間維持電子自旋態(tài)，而且還可以充當將自旋態(tài)轉(zhuǎn)化為光的界面。
       然而，相較于鉆石的氮-空穴色心，利用碳化硅的缺陷來產(chǎn)生光子糾纏擁有諸多優(yōu)點。首先，碳化硅晶片被廣泛應用于高電壓或高溫條件下工作的商用電子設備。與鉆石不同，這些晶片制備簡單，成本低廉，使得它們更適用于規(guī)模化的量子網(wǎng)絡。
       但它主要的優(yōu)點還在于，碳化硅缺陷能夠在與光纖兼容的波長下工作。而鉆石只能在可見光譜的波長上發(fā)揮作用，這降低了它們在光纖傳輸中的適用性。
       “這意味著，在一千米的光纖之內(nèi)，使用鉆石損失光子的機率要比使用碳化硅高出十倍。”克里斯爾說，“較低的損失意味著，在光纖連接的遠程缺陷之間產(chǎn)生糾纏，其成功的可能性更大。”
       正如克里斯爾指出，要創(chuàng)建實用的量子通信網(wǎng)絡，將光子損失降至最低至關重要。在此前的實驗中，利用鉆石的原子缺陷來產(chǎn)生糾纏的成功率非常低。在那項創(chuàng)造紀錄的鉆石糾纏實驗中，研究人員每小時能夠成功產(chǎn)生一次糾纏，或者說，每嘗試1.56億次，才能成功一次。
       克里斯爾及其同事還認為，與鉆石缺陷中產(chǎn)生的自旋態(tài)相比，他們能夠通過硅晶片中產(chǎn)生的每個自旋態(tài)生成更多的光子。根據(jù)他們的測量，在自旋態(tài)退相干之前，他們應該能生成5,000-30,000個光子。
       “我們的預測存在很大的不確定性，但這種方法仍然很有前景，因為相比起鉆石的氮-空穴色心產(chǎn)生的約1,000個光子，即使我們預測的下限也是一種很大的提升。”克里斯爾說。
       在這成千上萬個光子中，只有一個會真正用于在光纖中傳輸信息。其余的則可以讓研究人員對量子態(tài)進行更好的測量，這是一個關鍵要素，因為通過量子網(wǎng)絡安全地傳送信息，取決于我們對所涉及量子態(tài)的認知。如果你只能通過晶片產(chǎn)生的每個量子態(tài)生成100個光子，那么你測量這些光子的準確度將遠遠低于能夠生成1,000個光子的量子態(tài)。
       使用碳化硅晶片生成光子糾纏的最后一個好處體現(xiàn)在，量子自旋態(tài)能夠在缺陷中維持的時間長度，它本質(zhì)上測量的是缺陷能夠?qū)⑿畔Υ娑嚅L時間。據(jù)克里斯爾稱，碳化硅中的自旋態(tài)能夠持續(xù)大約1毫秒，之后就會發(fā)生退相干。這聽起來可能很短，但在量子領域卻是一段漫長的時間。        “對量子中繼器來說，這是一個基本要素。”克里斯爾說，“你要能存儲量子信息，并將其轉(zhuǎn)化為光。在現(xiàn)實世界中，光纖中的損耗始終存在，但如果在長距離的光纖鏈路中周期性地放置量子中繼器，那么，可以成功產(chǎn)生糾纏的距離就能進一步增加。對于這項重要的未來技術，我們的系統(tǒng)已經(jīng)掌握了基本要素。”
       就目前來說，克里斯爾及其同事開發(fā)的量子通信技術仍然是實驗性的。下一步，他們將對碳化硅缺陷產(chǎn)生的自旋態(tài)所能生成的光子數(shù)量進行實際測量，并對系統(tǒng)展開遠距離測試。
       雖然我們可能還要過一段時間才能使用量子網(wǎng)絡來發(fā)送電子郵件，但現(xiàn)在，我們距離量子糾纏的未來似乎近多了。（來源：Motherboard翻譯：何無魚）