宾夕法尼亚大学工程师团队首次将量子互联网引入商用光纤

宾夕法尼亚大学的一支团队日前在一项开创性实验中，首次实现了通过商用光纤网络传输量子信号，并使用与当今互联网相同的IP协议。这项研究发表在《科学》杂志上，表明脆弱的量子信号能够在负责日常网络通信的现有基础设施上传输，相关测试在Verizon公司的园区光纤网络上进行。

用于构建量子网络节点的部分设备，距离其源头约一公里处铺设了Verizon商用光纤电缆。

此次成果的核心是团队开发的一种紧凑型“Q芯片”，可协调量子与经典信息，并完全兼容现代网络协议。这项创新有望成为未来“量子互联网”的基石，研究人员认为这一网络或将像互联网诞生那样，引发变革性影响。

量子通信基于量子纠缠原理，粒子之间表现出极强的相关性，改变其中一个会瞬时影响另一个。利用这一现象，量子计算机可实现互联与资源共享，带来诸如高效药物与新材料开发等突破，超越现有超级计算机的能力。

据介绍，该项研究首次在商用运营的光纤网络上，使一枚芯片能传输量子信号、自动校正噪声，并将量子与经典数据封装为标准网络数据包，通过现有的寻址和管理系统完成路由。

“通过实验证明集成芯片可以在Verizon等商用网络上管理量子信号，并用互联网通用协议协同工作，我们向大规模实验和实用化量子互联网迈出了关键一步。”资深作者、材料科学与工程及电气系统工程教授冯良表示。

量子互联网规模化面临的挑战

物理学家薛定谔提出“量子纠缠”概念，并用著名的“薛定谔的猫”思想实验加以说明。在密封盒子中的猫，在观察之前可被认为既死又活，这一悖论与量子粒子的性质类似。对粒子的测量会使其失去特殊量子态，这成为构建大规模量子网络的一大难题。

为突破这一障碍，团队研发的“Q芯片”（意指量子-经典光子混合互联网）能协调常规光信号和量子粒子。“经典信号在量子信号前方传递，”博士生张亦驰介绍，“我们可以测量经典信号以实现路由，而量子信号则保持不被破坏。”

新系统原理如同铁路，常规光作为“火车头”，量子信息则封装于“车厢”中运输。“经典信号这个‘车头’带动整列‘列车’，但只能在不破坏内容的前提下指引路线。”张亦驰说。

由于经典信号可被测量，整个系统可采用当前互联网的“IP”协议进行通信。“我们将量子信息嵌入熟悉的IP框架，证明量子互联网可与经典互联网‘对话’，这种兼容性是基于现有基础设施规模化的关键。”

让量子技术适应真实世界

在商用环境下，量子信号传输面临多样挑战：温度变化、施工交通带来的震动、甚至地震活动等因素均可能影响光纤。而在实验室环境中，这些干扰则易于控制。

对此，研究团队开发了纠错方法，利用经典信号受干扰时与量子信号具有相似特性。“因为可以安全测量经典信号，我们就能推断出应对量子信号做何种修正，而无需破坏其量子态。”冯良解释。

测试显示，该系统的量子信号传输保真度超过97%，有效克服了实验室外噪声和不稳定因素。同时，芯片采用硅材料制造，可大规模量产，易于推广。

“目前我们的网络只有一台服务器和一个节点，连接两栋建筑，中间约一公里的Verizon光纤。”冯良表示。“但只要制造更多芯片并连接至现有光纤，就可扩展整个网络。”

量子互联网的未来

制约量子网络扩展至都市圈之外的主要障碍在于：当前无法在不破坏纠缠状态的前提下放大量子信号。

尽管部分团队已经实现了“量子密钥”长距离传输以保障安全通信，但这些技术并不能直接实现量子处理器间的实际互联。

要突破上述技术瓶颈仍需要新的设备。但本研究的重要意义在于展示了用芯片在商用光纤上运行量子信号、采用互联网式分组路由与动态切换，并通过芯片内错误修正，实现了与现有网络协议的兼容。

“这就像1990年代互联网刚刚实现高校互联的阶段，揭开了不可预测的转型大幕。量子互联网也可能改变世界。”布罗伯格博士生总结道。

本研究由宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院完成，并得到戈登与贝蒂·摩尔基金会、美国海军研究办公室、美国国家科学基金会等机构资助。

编译自/ScitechDaily