为什么两个芯片间的量子遥传,对量子通信这么重要?

布里斯托大学与丹麦科技大学的学者,首次实现了两个芯片之间的“量子遥传”(Quantum Teleportation),利用量子纠缠原理,成功将一个芯片中的量子态传输到另一个芯片中。这个实验的意义在于量子态可以通过程序代码编辑,让A芯片的量子态能够在B芯片同步,目前成功率为91%,同时最多可以让4个光子纠缠在一起。

研究成功在实验室中,让芯片产生共享一个量子态的两个光子,接着可以通过程序编辑量子态,并且将发送器芯片的量子传输到接收器芯片,而这两个量子可以在执行量子测量后共享一个量子态。之前的实验是在单一芯片完成,能在两个芯片同时实现纠缠态是重大突破。

量子遥传是什么东西?

基于“量子纠缠态”的量子遥传技术,目前认为是难以窃听、高效率的消息传输技术,充分利用无论距离多远、量子都得以表现出同样行动特征的方式为传输手段,基于海森堡不确定性原理与量子不可复制原理,量子的运行形态无法重新演绎一遍,因此每个量子的运行特性都独一无二,也因此以目前的理论来看,量子通信认为是难以窃听,同时极为安全的通信方式。

不过使用“Teleportation”这个字会让人误解这是瞬间传输,事实上这是基于传统线路传输的量子通信技术,你可以想象是在现有技术加上量子通信加密技术,可通过卫星、光纤等方式传输(目前都已实验成功),所以传输速度不会高于光速。

芯片设计原理图。(Source:University of Bristol)

但这样的加密方式不只可以应用在一般通信,包括存在网络硬盘的个人数据消息、家里的监视镜头、远程遥控的电器、连上网络的车载系统,都可以使用这种方式加密,避免黑客入侵或破坏,甚至往后在智能电网与各类电厂的远程遥控也能使用,确保使用这些网络设施的安全性。

量子彼此纠缠的距离没有任何限制,这件事情连爱因斯坦本人都曾感到困惑,称之为“远距离的诡异动作”(Spooky action at a distance)。几十年来量子力学的许多谜团,就在各强国与企业不断投入预算下,于近几年不断出现突破。

量子通信普及的挑战在哪里?

但即便如此,要实现量子通信还有很长一步路要走,最重要的挑战在长距离的光纤网络要发送量子进制不是简单的事。由于光纤在长距离输送下会损耗光子,如果要以10GHz速率发送光子,可能几百年才会检测到一个,而现在的技术是通过放大器改善信号损耗问题,但如果对光子使用同样方法,会导致光子的特性被破坏(包括纠缠特性),这也是为什么目前的量子通信实验也包含“距离测试”的原因。

如果要让量子通信普及,目前公认的做法就是需要创建量子网络中继站,工作原理是在光子能成功发送的最大化距离设计中继站,并利用类似放大器的原理(但不是传统那种),将量子信号安全稳定地发送到下一个中​​继站,直到传到目标计算机。也因此光子能稳定传输的距离越长、中继站设立越少,成本自然越低。

而一个芯片光子传到另一个芯片光子的意义也跟量子中继站有关,中继站需要能存储量子的设备,并要确认纠缠状态能在一个个发送存储过程中保留,这是量子通信及量子网络的重要关键,尤其量子存储设备跟一般通信设备不太一样,因此转换之间是否能保留、留存与发送的效率也成为技术开发重点。

全球量子科技的竞争

目前全球就是美国、中国、欧洲三大区域对量子通信的开发最积极。2019年6月,欧盟7个成员国共同签署声明,同意在未来十年内共同研究,如何打造横跨全欧盟的量子通信基础设施,英国本身则投入2.35亿英镑创建国家量子中心;美国则以2018年6月的国家量子计划法开始,全面性推动国家政策与资源增进量子科技发展。

中国则在加密通信部分的进展最惊人,除了已能发送光子到卫星的“墨子号”,根据华邮引用Patinformatics统计,在量子通信领域,中国的专利数是美国近2倍,美国则在量子计算机专利领先。对全球各强国来说,量子科技的掌握已是军事竞赛,而不是单纯的科技追求。

中国与美国量子通信的专利差异。(Source:Patinformatics)

台湾目前的量子计算机投资,根据科技部长陈良基所说,2018年开始补助台清交中央成大五校预算,进行量子计算机相关研究计划,每年约台币1亿元。但这样的发展脚步是否足够?在全球半导体产业占有一席之地的台湾,如果愿意拿出更多资源,或许台湾也能跟上全球量子科技的脚步,并让半导体科技得以与接下来的量子时代相辅相成。

(首图来源:pixabay)

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