量子网络的曙光

量子技术从来没有如此深刻地影响人类的生活.可以说,在20世纪初发展起来的量子力学和广义相对论塑造了人类的现代生活方式,尽管量子力学的本质（或者说它的现象）对于物理学家们来说仍然有些难以理解.量子力学最令人难以理解的地方和它与经典力学最为深刻的分歧,就在于微观领域的量子叠加态和纠缠态这种违反人类日常生活经验,甚至是违反相对论的特性.研究量子力学的物理学家们已经习惯于通过波函数来描述这些量子现象,虽然对于波函数的本质,目前在物理学界也是众说纷纭,但是并不妨碍人们开始利用这些量子力学中最基本的性质进行创造（最新的研究表明,波函数可能比人们之前想象的更加真实和基础）.

著名物理学家理查德·费曼（RichardFeynman）早在1981年就曾经讨论过利用量子叠加态建造量子计算机的可能.他指出,量子世界的量子比特并不一定要像传统通讯方式一样局限于“0”和“1”的各种排列,量子计算可以把要传输和交换的信息编写在量子叠加态中,然后传输整个量子态,量子计算机也可以利用量子叠加态进行平行计算,这样的计算速度将会远超普通计算机.

利用量子力学中另外一个令人迷惑的基本性质——量子纠缠,则有可能建造出完全不同于现代通讯网络的量子信息网络.根据量子力学的描述,两个处于纠缠态的微观粒子,无论相隔多远,彼此的量子态都会紧密结合,成为一个整体,如果对其中的一个粒子进行测量,也就可以马上了解另外一个粒子的状态.这种现象不符合狭义相对论中关于光速是宇宙中最快速度的描述（处于纠缠态的粒子之间状态的传输是超距的）,因此爱因斯坦始终对其持怀疑态度,称之为“鬼魅般的超距作用”（Thespookyactionatadistance）.尽管人们至今仍然不理解量子纠缠的本质,但是这种量子世界奇特的性质则可能成为人们构建量子信息网络的基础.

量子计算机在近20年内逐渐成为量子物理学家和计算机科学家们研究的重点,量子信息网络也正在一点点走进现实.与传统的通信网络不同,量子纠缠态是一种“点对点”的一一对应关系,并且由于量子纠缠的特性,它并不受空间分隔的影响,这就使量子加密网络成为可能.

但是量子纠缠态的传输也有非常明显的弱点,首先量子纠缠是一种非常脆弱的状态,这种状态非常容易被破坏掉.两个处于纠缠态的光子在光纤中进行传输,就有可能被光纤吸收,而在大气中进行传输时,受到空气分子的干扰,可能被吸收或被散射,彼此间的纠缠态也很容易被破坏.因为种种的困难因素,目前人们传输处于纠缠态的光子最远距离的纪录也只有140多公里,远不能实现一个真正的量子信息网络.因此,对于量子纠缠态的传输,始终有一个重要问题,就是怎样把它传输得尽量远.

2013年5月31日,《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志发表了一篇来自西班牙光子科学研究所的科学家朱莉娅·菲克特（JuliaFekete）和她的同事合作的论文《适合固态量子存储器和远程通讯网络的超窄带光子对源》（Ultranarrow-BandPhoton-PairSourceCompatiblewithSolidStateQuantumMemoriesandTelemunicationNetworks）,这篇论文论述了他们关于量子中继器研究的最新进展,这个成果有可能给量子信息网络的发展带来很大推动.

在传统的光纤传输过程中,光子数量会随着传输过程急剧减少,这使得光子的传输距离只能被限制在100公里左右.为了解决这个问题,人们在光纤传输中加入了中继器,中继器中含有光子放大器,用来弥补光子在传输过程中的损失.但是这种光子放大器在量子传输中却无法使用,因为这会破坏光子之间的纠缠状态.量子信息网络为了维持光子之间的纠缠状态,需要使用量子中继器.如同传统的中继器一样,量子中继器可以把一个很长的传输线路分割成若干个“节点”,一对处于纠缠状态的光子首先在两个相邻的节点之间被同时制造出来,之后通过各个量子中继器,纠缠态在不同的光子之间交换,从而使这种状态实现了远距离传输.

处于纠缠态的光子,需要在每个节点的量子存储器中保持一段时间,检验它们之间的纠缠状态.目前,一些利用晶体制造的量子存储器,已经可以同时把几个光子存贮长达数秒的时间,同时,这些量子存储器都对于存储光子的波长也有很严格的限制.但是用于量子信息网络传输的纠缠态光子对发生器所产生的纠缠态光子,它们的波长范围很广,其中很大部分的光子无法利用现在的量子存储器进行处理,这就成了量子信息网络远距离传输的最大难题.菲克特和她的同事所进行的研究,正是可以得到波长处于特定范围内的纠缠态光子对,这样就可以与现有的固态量子存储器和通讯网络相结合,这使得长距离的世界性量子信息网络成为可能.

有关量子信息网络另外一个重要的实验也在计划中.至今为止,对于这种“鬼魅般的超距作用”所进行的研究,都是在地面上进行的,距离都相对较短.而现在,一组欧洲科学家正计划利用宇宙空间站进行量子纠缠实验.在地面上,科学家们已经成功地利用光纤进行量子纠缠态传输,他们希望在宇宙空间站上尝试进行这样的实验,并且尝试建设全世界第一个真正的量子信息网络.

想要进行这样的实验也相对简单,只需要在国际空间站的一个相机镜头上加装一个光子探测模块.之后,在地面上将会制造出一对处于纠缠态的光子,这对光子的其中之一将会被发射到国际空间站,而另外一个则被留在地面,进行测量和对比.在理论上,这对处于纠缠态的光子,将会违反经典力学和相对论,无论相隔多远,对于其中一个光子状态的测量,都会“立刻”对另外一个光子的状态产生影响.这种“影响”所传达的速度,似乎远超光速,是一种即时行为.一些物理学家对于量子纠缠态进行实际测量之后也得出结论,处于纠缠态的粒子彼此之间量子态的传输速度至少在光速的1万倍以上.

正是因为如此,即使地面和宇宙空间站相距500公里,在理论上,两个处于纠缠态的光子的量子态仍然紧密结合在一起.在这种大尺度上,广义相对论的效应将不可忽视,在这种情况下量子纠缠理论是否仍然成立,引力将会对量子纠缠状态产生什么样的影响,这也是研究人员关心的一个基本问题.地面与国际空间站之间的量子传输还有一个优点,量子纠缠态的传输,很容易受到空气的影响,因此在地面上只能达到100多公里的传输范围,研究人员希望穿过大气层向宇宙空间站的传输,能够大大减少空气的干扰,也就更容易实现一个全球化的量子信息网络.

对于量子计算机和量子信息网络的研究,可能会遭遇比传统计算机和通信网络更多的失败和挫折.在量子领域的探索,会涉及到量子力学的本质,这对物理学家们来说仍然是一个尚未明朗的领域,把量子力学与通信技术相结合,则是另外一个充满挑战的课题.量子信息网络的发展,可谓筚路蓝缕,每一个进步,都给人们带来希望,而量子力学的本质,则依然隐藏在迷雾之中.