量子互联网因新型芯片突破：助力量子信号通过现实世界光纤传输

研究人员使用Q-Chip通过标准光纤采用互联网协议（IP）发送量子数据，这表明未来的量子网络可以在当今的互联网基础设施上运行。

科学家们利用驱动当今万维网的相同连接技术，通过标准光纤电缆发送了量子信号，这可能是迈向实用量子互联网的重大一步。

在发表于《科学》杂志的一项研究中，研究人员使用一款定制量子芯片，将量子数据与标准光信号一起打包，并通过商用基础设施进行传输。

这一突破标志着首次使用互联网协议（IP） —— 即支撑当今宽带网络的相同通信标准 —— 来发送量子数据。结果表明，量子通信可以在已有的网络上运行，而无需专用的基础设施。

"与早期需要孤立的、基于实验室的设置或专用基础设施的实验不同，这种方法首次将量子通信集成到现实世界的网络中，"该研究的资深作者、宾夕法尼亚大学材料科学与电气工程教授梁枫（音译）在一封致媒体的电子邮件中表示。

"我们的Q-Chip能够控制量子信号和经典信号，使它们能够使用标准互联网协议，在同一光纤电缆中一同传输。"

为什么互联网不能发送量子数据？

量子数据由量子比特承载 —— 量子信息的基本单位。与经典计算机比特表示为0或1不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。

量子比特还可以发生纠缠，这意味着无论相隔多远，一个量子比特的状态会与另一个量子比特的状态相互关联。这些特性使得量子计算机能够执行远超传统计算机能力范围的计算 —— 以并行而非顺序的方式进行。

然而，这些同样的特性也使得量子数据出了名的脆弱。量子态在被观察或测量时会坍缩，这使得量子信息极难处理。在经典互联网中，流量由路由器在信息通过网络时读取和解释来引导。这对量子粒子行不通，因为一旦读取就会破坏传输中的数据本身，叠加态在被观察的瞬间就会坍缩。

Q-Chip 如何工作

Q-Chip，全称为"量子-经典混合光子互联网"，通过将每个量子信号与一个经典的"报头"配对来应对这一挑战。该"报头"是一个数据包，包含路由和定时信息，被编码到光纤激光脉冲中。

当这些信息在网络中传输时，路由器会对其进行检查 —— 路由器通过读取数据包信息并将其转发到正确目的地来引导互联网流量。路由器利用报头来确定数据应去往何处以及如何到达那里。

通过将经典信号和量子信号定时在同步脉冲中一同传输，该芯片使得路由器能够读取报头的导航信息，而无需与量子信号交互或干扰它。这使得两者能够通过标准IP协议一同传输。

尽管研究人员此前已证明量子数据可以通过标准光纤电缆传输，包括在同一波长波段内与经典数据一起传输，但这项最新研究标志着首次在运行的、真实世界的基础设施上使用标准IP传输量子信号。

梁枫表示，这一点至关重要，因为它避免了另建一个单独的纯量子网络的需要，显著降低了部署和扩展量子互联网的门槛。

"使用标准IP协议意味着Q-Chip允许量子通信像常规互联网流量一样，利用已有的路由、寻址和协调工具进行管理，"他告诉媒体。

"通过为量子数据附加经典'报头'，Q-Chip能够利用已发展的经典光子器件、系统和基础设施来路由和管理量子信号，同时不干扰脆弱的量子态，这使得这成为首次符合现有互联网架构的量子通信实践演示。"

为了测试该系统，该团队使用了一段由电信公司Verizon运营的1公里长的商用光纤，在服务器和接收节点之间建立了一个简单的连接。

由于经典报头和量子信号对环境干扰的反应方式相似，团队可以利用经典信号来校正噪声，而不会干扰量子态。这确保了数据完整无损地到达目的地。

虽然这个初步设置的规模很小，但研究人员相信，这标志着向连接量子设备的大规模量子互联网迈出了基础性的一步 —— 尤其是因为Q-Chip由硅制成并使用现有工艺制造，这意味着它可以大规模生产。

"在未来的5到10年内，量子互联网的早期阶段可能会专注于局域网和/或城域规模的量子互联网，"梁枫告诉媒体。"应用 [可能包括] 安全通信、互联量子计算机以及分布式量子传感，例如超高精度导航或授时。"

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