量子信号首次通過傳統互聯網協議傳輸，現有光纖即可實現

　　AI 導讀帶你速覽精華：量子互聯網邁出關鍵一步，賓夕法尼亞大學團隊首次利用現有商業光纖網絡傳輸量子信号，通過 “Q 芯片” 實現量子與經典信号共存，為實用化量子互聯網奠定基礎。

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　　IT 之家 8 月 31 日消息，美國賓夕法尼亞大學的工程師團隊在現實場景中，首次運用當今互聯網的通信協議(IP)，在商業光纖網絡上成功傳輸了量子信号，相關研究成果已發表于《科學》期刊。該團隊借助現有互聯網系統，将量子互聯網從理論層面推向了現實應用。

　　量子信号具有強度極弱的顯著特性，一旦對其進行測量，就會使其失去量子糾纏特性，而且環境中過多的噪聲也會導緻信号無法讀取。不過，工程師們此次取得了突破，讓量子信号能夠在常規 IP 信号占用的繁忙互聯網基礎設施中完成傳輸。

　　這一傳輸成果的核心是 “Q 芯片”(Q - Chip)，這是賓夕法尼亞大學研發的一款矽基芯片，專門用于在互聯網中協調傳統信号與量子信号。其全稱為 “光子量子 - 經典混合互聯網芯片”(Quantum - Classical Hybrid Internet by Photonics)，能夠将标準信号與量子信号進行打包整合，使其可以在城市光纖互聯網線路中穩定傳輸。該芯片具備收發功能，無需對量子關聯信号進行測量，就能自動修正噪聲幹擾。

　　據 IT 之家了解，量子計算與傳統計算屬于完全不同的技術領域。傳統計算機依靠晶體管、比特和電子進行運算，以 “0” 和 “1”(即 “開” 與 “關” 的狀态)來表示信息;而量子計算的原理則大不相同，它借助量子比特(qubit)，利用量子糾纏效應，使量子比特不僅能表示 “0” 和 “1”，還能呈現這兩種狀态之間的無數種疊加形态。

　　但是量子糾纏的應用極具挑戰性，一旦量子信号被測量，其量子特性就會消失。在薛定谔的思想實驗中，将一隻貓與放射性同位素一起放在封閉的盒子裡，隻有打開盒子觀察貓，才能确定它是活的還是死的。量子粒子的情況與此類似，未被觀測時，它們可處于 “疊加态”(既非 “0” 也非 “1”);而一旦被觀測，量子關聯便會斷裂，最終隻能呈現 “0” 或 “1” 的确定狀态。這一特性使得量子信号的互聯網傳輸難度極大。

　　該項目的博士生羅伯特・布羅伯格在接受 Phys.org 采訪時解釋道：“常規網絡會通過測量數據來引導其抵達最終目的地，但純量子網絡無法這樣操作，因為對量子粒子的測量會直接破壞其量子态。”

　　為解決這一難題，Q 芯片采用了 “列車式組合” 方案：把量子信号與基于光的标準互聯網信号進行配對。其中，标準互聯網信号如同 “引擎”，負責路由導航;量子信号則像 “貨物”，伴随其一同傳輸，并且在整個傳輸過程中，兩端均不會對量子信号進行測量。這種配對機制還能夠實現噪聲修正，由于收發兩端的 Q 芯片都知曉标準信号的預期狀态，因此可以先對光基标準信号進行誤差修正，再據此推斷出量子信号的修正方案。

　　該研究論文的資深作者梁峰(Liang Feng，音譯)表示：“我們的研究證明，集成芯片能夠在 Verizon 這類現役商用網絡中處理量子信号，且使用的是運行傳統互聯網的同款協議。這一成果為開展更大規模實驗、構建實用化量子互聯網邁出了關鍵一步。”

　　從理論上講，Q 芯片系統可在該校所在地費城的 Verizon 光纖網絡任意節點運行，同時也适用于其他城市的互聯網基礎設施。不過，要實現量子信号的長距離重複傳輸，仍需要進一步研究，這是構建城市間乃至更遠距離量子互聯網連接的必要前提。

　　當前，量子計算正不斷向現實應用邁進，而這項 “依托現有互聯網基礎設施傳輸量子信号” 的研究具有不可估量的價值。量子技術的下一步發展方向雖仍存在不确定性，但各國政府與企業均在積極投入，力争率先實現其實際應用落地。