【本社编译报道】未来的互联网长啥样?在当下,有这么一群科学家,他们正在努力攻克相关技术难题,利用量子纠缠的原理,实现信息瞬时、安全传输。事实上,不仅在互联网领域,这项技术究竟能够给人类的生活带来怎样的改变,都足以令我们憧憬和讶异——在未来,你甚至可以期待,利用这项技术,你就能瞬间到达地球的任意角落。

您可能要问了:量子互联网有啥用?总的来说,只需一眨眼的功夫,它就能将海量的数据传送到千里之外,其运行速度不仅远超当前的互联网,更超越了光速——就像《星际迷航》中斯波克和柯克上校的瞬时传输那样。

布鲁克海文国家实验室位于纽约东郊约80公里的地方,在这里工作的伊顿·菲格罗亚(Eden Figueroa)不仅是美国纽约州立大学石溪分校的副教授,同时也是世界量子互联网领域的前沿科学家。

菲格罗亚称,他的团队已然实现在石溪分校和布鲁克海文国家实验室之间传输“偏振态”(译者注:量子隐形传态的一种形式),所利用的传输介质正是光纤。两地之间光纤的长度总共有137公里。克尔斯汀·克丽兹·范丹(Kerstin Kleese van Dam)是布鲁克海文实验室计算科学项目主任,她评价该成果是“美国本土之最”,也是“世界上最大的量子网络之一”。

如今,只有美国、欧洲和中国的大约几百名物理学家才真正掌握着量子物理的运行奥秘。在这个奇妙的领域中,物体可以同时以多个状态存在,这就是“叠加”。这些不同状态的物体可以跨越时空距离,进行相互作用,甚至可以闪现和消失。菲格罗亚等科学家正是希望利用这一奇妙现象,搭建一个运行顺畅的新型互联网。他们说,这种互联网能够免受黑客攻击,是安全传送信息的坚强后盾。

伊顿·菲格罗亚(右)多年来一直在研究一项技术,使处于纠缠态的量子传输的距离更长。图中为2018年菲格罗亚在石溪分校的部分团队成员:梅迪·纳马齐(左)和迈尔·弗拉芒(中)。他们正站在一个防止黑客入侵的技术模型之后。

伊顿·菲格罗亚(右)多年来一直在研究一项技术,使处于纠缠态的量子传输的距离更长。图中为2018年菲格罗亚在石溪分校的部分团队成员:梅迪·纳马齐(左)和迈尔·弗拉芒(中)。他们正站在一个防止黑客入侵的技术模型之后。

范丹认为,虽然欧洲和中国的一些研究团队拥有更多的研究基金,在这项技术上钻研的时间也更长,然而,美国依然最为领先:“未来的一到两年里,在量子网络知识的掌握和搭建的设备上,他(菲格罗亚)都将是这个领域的领头人。”

大卫·奥沙龙(David Awschalom)是该领域的传奇人物,他是芝加哥大学普利兹克分子工程学院自旋电子学和量子信息学教授,也是芝加哥量子交易所的主任。他称菲格罗亚的研究“项目本身很棒,做得也很完善”。“我不会轻易地用‘最大’或‘最快’来评价一件事物。”他说,“在当下,搭建量子网络的雏形需要全世界的共同努力,这样才能进一步去搭建量子互联网。”除此以外,他还提到,除了他们在芝加哥的团队之外,日本、英国、荷兰和中国也正在努力地开展量子网络的搭建工作。

不过,到底啥是量子互联网?它又是如何运作的?这个夏天,我有幸同菲格罗亚相处了两天,跟着他转了转布鲁克海文的园区,以及附近的石溪分校,亲眼见识了前沿的设备,并同其他世界顶尖的物理学家沟通了一番,加之我自己研读了一些文献过后,我开始有一点点、一丝丝懂了——当然没有涉猎很深,只是粗略地理解了。既然我能弄懂,相信您也没有问题。

破解“纠缠”

菲格罗亚带我去了石溪分校的实验室,也就是在这里,他领导量子信息技术团队开展研究。在实验室里屋,他向我展示了一张实验台,上面摆满了反射镜、激光器和电子设备,简直是个迷宫。他说:“这就是我们创造这些叠加态光子的地方,然后我们就可以把它们传送到光纤中了。这你明白吧?很简单的。”

行,您说简单就简单。

有意思的是,我们所提到的一切量子网络相关问题都跟一个实验脱不了干系。这个实验甚至在家就能做,就是200年前第一次由英国学者托马斯·杨(Thomas Young)所做的“双缝实验”(double slit experiment)。

当一束光线照射到带有两个平行狭缝的平板上时,托马斯·杨观察到:穿过狭缝的光线,在平板后方的屏幕上形成了暗带和亮带。只有无数光子以“波”的形态穿过狭缝,才能形成干涉图样(译者注:形成干涉图样证明发生了衍射,而只有波才能发生衍射,由此说明光具有波动性)。由此,托马斯·杨得出了结论:1704年,牛顿发表的认为光由粒子构成的假说是错误的。杨认为:光是由波构成的,而非由粒子构成。

双缝实验示意图

双缝实验示意图

然而,到了20世纪早期,科学家们还是证实了,光的确也可以由粒子构成,也就是物理学家吉尔伯特·路易斯(Gilbert N. Lewis)所谓的“光子”,或者说“量子”(译者注:光子并不等同于量子,量子指物理量不可分割的最小单位,包括光子、电子等在内的最小单位物理量都可视作“量子”)。更不可思议的是,研究人员同时发现,当只有单个光子通过带有双缝的平板时,干涉图样(interference pattern)也能形成。由此他们得出:光子也具有波动性,单个光子穿越狭缝时会与自身发生干涉。

想象一下:一个光子同时出现在两个地方。这意味着在你在这边给光子挠痒痒,另一边的“分身”也跟着笑。在一个地方观察它“本身”,也就能同时搞清它“分身”的状态。欧文·施罗丁格(Erwin Schrödinger)将这种现象称为“纠缠”(entanglement)。菲格罗亚和其他研究人员现在正在利用这种现象来传送信息。简单来说,向某处的粒子输入数据,就能使这些数据在另一处得到输出,这也就是量子隐形传态(teleportation)的本质。

我问菲格罗亚,这些理论具体是如何应用于实践的。他说:“来,让我带你探寻魔法。”

量子存储

“这只是设备和光学器件,”他指着实验台上安装的一排激光器和反射镜对我说道,“也是业内人士的乐高玩具。”在实验台一边,激光器向晶体发射高能蓝色光子,照射到晶体上的高能蓝色光子随即分解为一对低能红色光子。每一对生成的红色光子都相互纠缠。

纠缠在一起后,其中一个红色光子被就近传输到菲格罗亚实验室的探测器那里;而另一个红色光子则被传输到布鲁克海文国家实验室的探测器那里,远在十几公里开外。不同的传输距离将导致两个光子的到达时间有一丝丝不同步,而这会破坏它们之间的纠缠。为了避免这种情况的发生,菲格罗亚必须想办法将两个光子到达的时间差控制在十亿分之一秒以下(sub-nanosecond)。

但是要怎么做呢?一般实验室采用的做法是将就近传输的光子冷却至接近绝对零度(译者注:指0开氏度,也是热力学的最低温度,约合-273摄氏度)来降低传输速度。早在德国康斯坦茨大学攻读博士学位时,菲格罗亚就曾问过教授,能否舍弃昂贵、复杂的冷冻机,在室温下进行实验。彼时教授告诉他:“不可以,但希望你能够证明:是我错了。”

菲格罗亚真的做到了,他开创了新方法。与常规方法不同,他用一个大约2.5厘米长、盛满铷气的电子管,在室温下实现这个过程。他发现:通过使光子在镜间反射,并轰击铷原子,可以调整纠缠的光子的波长,从而释放一种铷电子可以接收的信号。耶!就这样,处于纠缠态的光子得以转移到铷气里。经过十亿分之一秒的短暂停留后,这个光子继续前进,同与其发生纠缠的光子同时到达探测器。

更不可思议的是,2012年取得博士学位后,菲格罗亚更进一步将整个量子存储系统压缩成了一个比手提箱还小的便携设备,小到甚至可以安装在普通计算机服务器的机架上——如果量子互联网要成为主流,这是一项至关重要的创新。

纠缠交换

然而,还有一个问题,至今无人能够彻底解决:将纠缠态的光子通过光缆传输至96公里之外——因为一旦超出这个距离范围,光子就可能同光缆的线芯、外壳,甚至地面的阳光发生作用,从而破坏量子纠缠。

针对这一问题提出的解决方案叫做“纠缠交换”(entanglement swapping),全世界的量子工程师都在竞相将这一概念付诸实际。

“这个想法已经提了20年了,”哈佛大学著名的量子理论家、实验家米哈伊尔·卢金 (Mikhail Lukin)提到,“到现在为止,还没有人能将它成功应用。据我所知,菲格罗亚的团队现在就在尝试做这个事情。”

量子未来

如果传输的不仅仅是信息,还有粒子、分子、细胞甚至是柯克上校,情况又会如何呢?

1997年12月,国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证。不过,在当时,IBM的物理学家查尔斯·H·贝内特(Charles H. Bennett)告诉《纽约时报》:“即使想要传输像细菌那么小的东西也是完全不可行的。”(需要说明的是,正是贝内特在此4年前首次提出了“量子隐形传态”的理论设想,所以你可能会认为他说得对)。

然而,21年后,就在2018年的秋天,牛津大学的研究人员公布:一个活细菌与一个光子实现了纠缠,而这正是贝内特所言“完全不可行”的事。尽管并非所有的物理学家都相信这一发现,毕竟该结论是牛津大学的研究团队基于另一组研究团队的实验得出的。不过,没有人能够预见量子革命究竟能够掀起怎样巨大的波澜,即使是菲格罗亚本人也未可知。

“这些设备所及充满未知,而我们则正在探索无限可能。”菲格罗亚告诉我,“目前,我们只是在尽力创造可行的技术,而其真正远大的应用前景仍有待发掘。”【全文完】

来源:Discover
作者:Dan Hurley
编译:孙逸潇
校改:朱慧颖
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