近日，一支由芝加哥大學研究人員大衛·克里斯爾（David Christle）領導的國際團隊發表了一份研究報告，他們證明了利用現有電信網絡的常用材料和協議，是可以實現量子通信的。這一研究成果標志著，我們朝量子現象的實際應用邁出了重要一步。
       正如物理學期刊《物理評論X》上的論文所詳述的那樣，克里斯爾及其同事利用日常電子設備的常見材料——碳化硅晶片中的原子缺陷，讓粒子實現了量子糾纏。量子糾纏是一種現象，可以讓兩個不同的粒子緊密地聯系在一起，因而對其中一個粒子施加影響，就會自動影響到另一個粒子。事實上，這些粒子的聯系是如此緊密，其產生的效果基本上就像是一個粒子同時存在于多個位置。
       克里斯爾及其同事所利用的碳化硅晶片的原子缺陷是指，這種材料中缺失了一個原子，導致相鄰原子對自己的電子進行重新排序。然后，研究人員對一種名為自旋的量子特性加以利用，將信息以量子比特的形式儲存。量子比特與普通計算機的比特很像，只不過，它不是“非0即1”，而是“又0又1”。
       “這項研究工作的一個關鍵性突破在于，我們發現了原子缺陷的一種內在機制，讓我們得以把自旋態轉化為光。”克里斯爾解釋說，“這意味著，我們找到了一種把自旋態與光子狀態糾纏在一起的方法。本質上，這意味著量子信息不再是固定的，從某種意義上說，它現在是可移動的。
       要理解這如何應用于一套簡單的量子通信系統，我們可以設想，有兩個碳化硅晶片被特定長度的光纖分隔開來，研究人員可以用激光器操縱這些晶片中的缺陷，以產生一個電子自旋態以及與該電子發生糾纏的光子。
       光子糾纏是量子通信的核心。由于光子糾纏極端脆弱，因此，它被認為是兩個位置之間進行信息交換的最安全方法之一。當光子糾纏的狀態被測量時，必然會讓量子系統發生變化。這意味著，任何試圖攔截量子系統中雙方通信的竊聽者都將擾亂系統本身，并讓雙方意識到竊聽行為的發生。
       從信息安全的角度看，量子密鑰分配的脆弱性被認為是一件好事。盡管如此，在創建實用型量子通信網絡的過程中，這種脆弱性也造成了一些問題。這是因為，隨著傳輸距離的增加，光子與光纖或與空氣相互作用產生的干擾將愈發嚴重地降低量子系統的質量。到了某個時候，量子系統將完全“退相干”，失去信息載體的作用。
       到目前為止，利用原子缺陷產生糾纏的最長距離紀錄只有不到一英里。在那項實驗中，研究人員利用鉆石中名為“氮-空穴色心”的缺陷產生了糾纏。同碳化硅的缺陷一樣，鉆石的氮-空穴色心能夠長時間維持電子自旋態，而且還可以充當將自旋態轉化為光的界面。
       然而，相較于鉆石的氮-空穴色心，利用碳化硅的缺陷來產生光子糾纏擁有諸多優點。首先，碳化硅晶片被廣泛應用于高電壓或高溫條件下工作的商用電子設備。與鉆石不同，這些晶片制備簡單，成本低廉，使得它們更適用于規模化的量子網絡。
       但它主要的優點還在于，碳化硅缺陷能夠在與光纖兼容的波長下工作。而鉆石只能在可見光譜的波長上發揮作用，這降低了它們在光纖傳輸中的適用性。
       “這意味著，在一千米的光纖之內，使用鉆石損失光子的機率要比使用碳化硅高出十倍。”克里斯爾說，“較低的損失意味著，在光纖連接的遠程缺陷之間產生糾纏，其成功的可能性更大。”
       正如克里斯爾指出，要創建實用的量子通信網絡，將光子損失降至最低至關重要。在此前的實驗中，利用鉆石的原子缺陷來產生糾纏的成功率非常低。在那項創造紀錄的鉆石糾纏實驗中，研究人員每小時能夠成功產生一次糾纏，或者說，每嘗試1.56億次，才能成功一次。
       克里斯爾及其同事還認為，與鉆石缺陷中產生的自旋態相比，他們能夠通過硅晶片中產生的每個自旋態生成更多的光子。根據他們的測量，在自旋態退相干之前，他們應該能生成5,000-30,000個光子。
       “我們的預測存在很大的不確定性，但這種方法仍然很有前景，因為相比起鉆石的氮-空穴色心產生的約1,000個光子，即使我們預測的下限也是一種很大的提升。”克里斯爾說。
       在這成千上萬個光子中，只有一個會真正用于在光纖中傳輸信息。其余的則可以讓研究人員對量子態進行更好的測量，這是一個關鍵要素，因為通過量子網絡安全地傳送信息，取決于我們對所涉及量子態的認知。如果你只能通過晶片產生的每個量子態生成100個光子，那么你測量這些光子的準確度將遠遠低于能夠生成1,000個光子的量子態。
       使用碳化硅晶片生成光子糾纏的最后一個好處體現在，量子自旋態能夠在缺陷中維持的時間長度，它本質上測量的是缺陷能夠將信息儲存多長時間。據克里斯爾稱，碳化硅中的自旋態能夠持續大約1毫秒，之后就會發生退相干。這聽起來可能很短，但在量子領域卻是一段漫長的時間。        “對量子中繼器來說，這是一個基本要素。”克里斯爾說，“你要能存儲量子信息，并將其轉化為光。在現實世界中，光纖中的損耗始終存在，但如果在長距離的光纖鏈路中周期性地放置量子中繼器，那么，可以成功產生糾纏的距離就能進一步增加。對于這項重要的未來技術，我們的系統已經掌握了基本要素。”
       就目前來說，克里斯爾及其同事開發的量子通信技術仍然是實驗性的。下一步，他們將對碳化硅缺陷產生的自旋態所能生成的光子數量進行實際測量，并對系統展開遠距離測試。
       雖然我們可能還要過一段時間才能使用量子網絡來發送電子郵件，但現在，我們距離量子糾纏的未來似乎近多了。（來源：Motherboard翻譯：何無魚）