阿貢國家實驗室：量子中繼器及其在量子網絡中的作用

很多人小時候都玩過傳聲筒遊戲：A將消息小聲告訴B，然後B將他聽到的內容小聲告訴C，依此類推，玩過的人都知道，最後傳達到的信息往往和真實消息完全不同。

從某種意義上說，這和中繼器技術的重要性強相關。中繼器是一種旨在避免信息傳達失真的設備。如果沒有中繼器，通過連接發送的數據可能會變得無用。從本質上講，如果沒有中繼器，我們就無法獲得大規模的計算機網絡。

雖然我們有各種各樣的傳統中繼器，但還沒有一個功能齊全的量子中繼器。隨着量子計算機的發展，科學家開始需要將這些計算機連接在一起，量子中繼器也將成為必需品。

Paul Kwiat是Kwiat量子信息組負責人兼伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校教授，他也是Q-NEXT量子通信工作的領導者，Q-NEXT是美國能源部（DOE）國家量子信息科學研究中心，由美國能源部阿貢國家實驗室領導。Q-NEXT是一個由來自三個國家實驗室、10所大學和14家公司共約100名專家組成的組織，正在開發控制和分發量子信息所需的科學和技術。

Kwiat說：「我們的目標是以比現有系統更好的方式實現和發展長距離的量子通信鏈路，這需要創建量子中繼器。」

複製問題

量子世界是一個奇怪的領域，對於人類來說很難理解。我們的經驗和量子領域之間的差異之一：是量子比特不能複製。

傳統的中繼器是傳聲筒遊戲的專家。許多經典的中繼器不是混淆孩子們在竊竊私語中傳遞的信息，而是有效地獲取他們被告知的信息，以一些數據的形式出現，精確地複製幾次，然後將這些副本發送到下一個節點。

對於量子計算專家來說，當你使用量子比特（量子信息的基本單位）而不是常規計算機中使用的經典比特時，過程並不簡單。就像薛定諤的貓，量子系統在被測量之前沒有確定的狀態，而測量它們的行為本身就可以改變這些量子物體的狀態。事實上，Erwin Schrödinger將他的貓問題概念化，指出我們不能像理解人類世界那樣去理解量子世界。

Kwiat說：「你可以複製經典的比特，但如果你有一個量子比特，而你不知道它的狀態是什麼，你就無法如實地複製它，因為存在噪聲。」

Kwiat提到的「噪聲」是量子計算領域面臨的最大挑戰之一。為了簡化這個複雜問題，打個比方：量子噪聲有點像我們在聚會上聽到的噪音。在音樂和其他人說話的聲音中，我們很難聽清朋友的聲音。

在量子計算中，這種噪聲不是人類能聽到的。它可以是來自附近Wi-Fi的電磁信號或地球磁場中的微小干擾。

那麼，如果科學家不能複製他們對經典系統所做的工作，他們將如何創建一個量子中繼器來實現長距離的量子網絡？

雖然我們還沒有一個功能齊全的量子中繼器，但可以對它們的工作方式提出一些要求。一個有希望的途徑是糾纏交換。

糾纏交換解決方案

當兩個或多個量子相互作用時，就會發生糾纏，它們不再彼此獨立。每個量子都有某些特性，如動量、位置或極化，可以與它糾纏的另一個粒子的相同特性強耦合。

當糾纏被移植到另一個粒子時，就產生了糾纏交換。糾纏交換將成為未來量子中繼器的基礎，因為它將原本未連接的節點鏈接在一起。（圖片來源：網絡）

糾纏態的一個特例是貝爾態，它是兩個量子比特的最簡單和最大糾纏量子態。如果兩個粒子以相同的方式獨立測量，即使每個結果本身都是隨機的，它們也會產生相同的結果。就好像兩枚硬幣在不同的城市被拋出，但總是給出相同的結果。

其中一種應用是量子隱形傳態，糾纏的概念可用於在共享糾纏的各方之間轉移未知的量子態。如果一個傳送的粒子本身被另一個粒子糾纏在一起，我們就有了糾纏交換的過程。為了便於說明，我們先介紹Alice, Bob 和 Christine。

（圖片來源：網絡）

想像一下，他們每個人都控制着量子。Christine和Alice共享一對糾纏的量子，Christine和Bob也是如此。目標是讓Bob的量子與Alice的量子糾纏在一起，但它們沒有直接的聯繫。

Bob 和 Alice 將各自從準備已知的貝爾對開始，這是兩個量子比特的糾纏量子態。Alice會向Christine發送一個準備好的量子比特並保留一個，Bob也會向Christine發送一個量子比特並保留一個。Christine在她新獲得的量子比特之間執行貝爾投影，並執行糾錯，導致Bob發送給Christine的量子比特被傳送給Alice，反之亦然。凈效應是Bob和Alice的量子比特現在彼此糾纏，從而在更長的鏈路上產生糾纏，並為大規模量子網絡奠定基礎。

像這樣的糾纏交換將成為未來量子中繼器的基礎，因為它們將原本未連接的節點鏈接在一起。把它想像成在嘈雜的派對上玩傳聲筒遊戲。如果一個人沒有聽到正確信息，就無法正確傳遞信息，量子中繼器也是如此。目前為止，在長且有損耗的通道上傳輸量子信息而不會丟失或破壞脆弱的量子態，糾纏交換是最有效的方法。未來的量子中繼器將依賴於糾纏交換，Q-NEXT正在努力更好地了解如何構建這些中繼器。

價值是什麼？

量子計算本質上是一個難以理解的話題，因此人們經常問這項技術的實際價值是什麼。為了理解為什麼需要量子中繼器，我們需要討論通過量子網絡傳輸信息的價值。

量子網絡的應用之一是密碼學。在網絡上移動數據會帶來攻擊者竊取或更改數據的風險，因此必須採取安全措施。

量子密鑰分發（QKD）是一種有前途的技術，它依賴於量子中繼器。QKD是一種安全的通信方法，利用量子物理學的獨特屬性來保護數據免受攻擊者的攻擊。如果我們希望QKD高效且有效，我們需要將網絡傳播到很遠的距離。因此，強大的量子中繼器將用於大規模QKD部署。

量子網絡的第二個應用涉及量子計算機。對這種處理器進行安全和遠程編程的唯一方法是通過量子鏈路。此外，高速量子網絡可用於直接連接兩個或多個量子過程，以創建一個巨大的分佈式量子處理器。例如，兩台量子計算機作為一個整體，比它們獨立行動更強大。如果每個量子處理器比經典計算機強大一百萬倍，那麼它們的糾纏貢獻則強大一百萬倍。

最後，量子網絡可以實現非常靈敏的分佈式量子傳感器。例如，Kwiat指出，隨着量子網絡的實現，望遠鏡和宇宙研究將迅速發展。現在，我們依靠一種方法，可以採用一系列物理望遠鏡並結合它們的輸入數據，來模擬一個巨大的望遠鏡，但這些方法僅適用於無線電波或短距離。量子中繼器可以幫助我們更有效地將望遠鏡連接在一起。

Kwiat說：「如果使用量子網絡將兩個望遠鏡連接在一起，就可以將信號從一個望遠鏡傳送到另一個望遠鏡。如果已經有效地啟動並運行了量子網絡，那麼量子信息的傳輸是無損的。原則上，你可以擁有間距更遠的望遠鏡，實現更高的分辨率。」

當然，所有這些發展都需要一個功能正常的量子中繼器。Q-NEXT希望成為這些設備開發的領導者。Q-NEXT科學家正在尋求多種硬件平台來實現中繼器，包括離子阱、中性原子和超導量子比特，以及這些設備之間的互連手段。

Q-NEXT還助力於這一領域的全球發展。例如，Q-NEXT和芝加哥量子交易所在當地共同組織了第三屆量子中繼器和網絡研討會。該研討會旨在將量子研究界聚集在一起，討論開發量子中繼器的機遇和挑戰。這包括一個名為「從頭開始的量子中繼器網絡」的教程，該教程無需任何量子經驗，他們希望能將這些知識傳播給儘可能多的人。

考慮到來自37個機構和9個國家的約100名研究人員參加了研討會，這對Q-NEXT和整個量子社區來說顯然是成功的。隨着量子通信技術的發展，Q-NEXT將繼續努力，將量子中繼器推向世界。

這項工作得到了美國能源部國家量子信息科學研究中心的支持。

關於阿貢國家實驗室

阿貢國家實驗室致力於解決緊迫的國家科學技術問題。作為美國第一個國家實驗室，阿貢在幾乎所有科學學科中都進行前沿的基礎和應用科學研究。阿貢大學的研究人員與來自數百家公司、大學以及聯邦、州和市政機構的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學領導地位，並為國家創造更美好的未來做好準備。Argonne的員工來自60多個國家，由UChicago Argonne，LLC為美國能源部科學辦公室管理。

編譯：卉可

編輯：慕一