量子电传是一个将粒子的量子状态从一个地点转移到另一个地点的过程,而不将粒子本身传送出去。它依赖于量子缠绕的现象,即两个粒子相互交织,从而无论距离如何,一个粒子的测量都瞬间影响另一个粒子。这一技术不仅可以将物理物质传送,而且可以移动量子信息——系统的基本“状态”——使之成为未来量子技术的基石。首先,从1993年查尔斯·贝内特和同事们在理论上提出的量子电传,此后,通过光子、原子,甚至通过地面和卫星链接,用数百公里以上的速度,实验地展示了量子电传的核心原则、实际应用、现有挑战和未来的前景。

量子电传的核心原则

量子包围和钟声

量子电传的基础是缠绕. 当两个方位(quantum bits)被缠绕时,它们的结合状态无法独立描述;它们构成了一个联合系统. 最常见的缠绕状态是贝尔状态: =( ⁇ 00 ⁇ + ⁇ 11 ⁇ )/ ⁇ 2, ⁇ ( ⁇ 00 ⁇ + ⁇ 11 ⁇ )/ ⁇ 2, ⁇ ( ⁇ 01 ⁇ + ⁇ 10 ⁇ )/ ⁇ 2, ⁇ ( ⁇ 01 ⁇ + ⁇ 10 ⁇ )/ ⁇ 2, ⁇ 10 ⁇ / ⁇ 2. 这些状态在测量某些基位时表现出完美的关联. 为了进行电传, 一种缠绕对(say, 粒子B和粒子C)首先生成,并由双方共享,传统上叫做爱丽丝和鲍勃. 爱丽丝保存粒子B,鲍勃接收粒子C. 后来,爱丽丝还在粒子A上获得了未知的量态,她希望将传送给鲍勃.

电传传输议定书

电传协议包括三个步骤:缠绕,测量,重建.

  • 缠绕准备:[ 爱丽丝和鲍勃共用一对缠绕的对(B和C条). 最初,B或C中没有关于状态的QQ的信息.
  • 贝尔测量:爱丽丝对粒子A(包含QQ)和她所缠绕的对半(颗粒B)进行联合测量。这一测量将A和B的组合系统推向四个贝尔状态之一。测量摧毁了A上的初始状态,并立即将结果与鲍勃的粒子C联系起来。
  • 分类通信与重建:[ 爱丽丝通过任何常规信道(如光纤电缆或无线电)向鲍勃发送她的贝尔测量结果(两个古典位点),根据收到的位点,鲍勃对粒子C应用了特定的单体操作(quantum gate). 这一操作完全复制了C上的状态Q.

关键是,在贝尔测量中,原态QQ被摧毁了 — — 这满足了无克隆定理,该定理禁止完美复制未知量子状态。 远程传送因此传递了量子信息,而不是复制量子信息。

古典通信的作用

经典通信在量子电传中是不可或缺的。没有它,鲍勃将不知道要应用哪一个统一转换。由于经典信息不能超过光速,电传传输不允许比光快的通信。两个古典位点最多以光速运行,所以整个过程尊重相对性。这个古典通道也引入了限制基于电传的协议的有效吞吐的空档。

主要技术要求

保持缠绕

环绕是脆弱的,与环境的相互作用导致脱节,破坏远程传送所必需的相关关系。 为了保持远距离缠绕,研究人员使用低损失光纤、自由空间激光链甚至卫星通道,他们还采用缠绕蒸馏等技术净化部分退化的缠绕状态。 例如,米修斯卫星(中国)已经通过自由空间光学证明了缠绕分布和远程传送超过1200公里,通过主动指向和极化补偿来减轻大气动荡的影响。

量子中继器和长距离传送

将缠绕光子直接传递到长光纤上会遭受指数损失。 为了克服这种损失,提出了量子中继器。量子中继器将总距离分成较小的段,在每个段内建立缠绕,然后进行缠绕互换,将它们连接起来。量子电传是这些互换中的首要操作。最近的实验证明,光纤网络的电传波跨度高达数十公里,具有高度的忠诚,为未来的量子互联网铺平了道路。

理论之外的实际应用

量子通信网

量子电传可以安全地在网络的节点之间转移量子状态。 这对构建量子互联网至关重要,因为量子处理器之间可以传送量子,从而能够进行分布式量子计算和安全通信。 世界各地的公司和研究团体正在开发都市量子网络 — — 例如,在合肥(中国)、东京和剑桥(美国 ) 。 这些网络利用光子电传连接不同的物理系统。

分布量子计算

大型量子计算机可能由多个通过电传连接的较小量子处理器组成。 与其在芯片之间移动物理量子, 电传传输量子状态, 维护一致性。 这种架构允许模块化的缩放和更容易的错错位校正。 例如,电传传输可以在不同的处理器上执行量子门之间的量子门 — — 称为门电传 — 排除了近期量子设备的能力 。

安全数据传输( 量子密钥分布)

虽然量子密钥分布(QKD)往往基于直接传输qubits,但电传传输提供了一个替代方案:基于电传的QKD协议. 在这个方案中,一个缠绕状态从爱丽丝被电传到鲍勃,以建立密钥. 由于电传传输不以同样的方式将电传状态暴露在信道上,因此它可以更强力地抵御某些攻击和损失. 此外,电传是量加密和安全多方计算的基本原始.

挑战和当前研究前沿

忠诚与错误校正

量子电传的成功是通过忠心度衡量的 — — 电传状态如何准确与原始相匹配。 菲德尔率可以通过不完美的缠绕、传输过程中的丢失和贝尔测量中的噪音来降低。 现代实验的忠心度超过90%,但接近99.99%对于容错量子网络是必要的。量子错误校正码可用于保护电传状态,但它们需要额外的量子和资源。 研究人员正在积极致力于提高缠绕光子源和探测器的质量,以提高忠心度。

扩大传送范围

大多数的远程传输演示都是单发事件:一次一个qubit传输。 为了有用,远程传输必须高速运行(比如每秒数百万个远程传输qubit),并支持多qubit状态。 这需要多发、高速电子和精确同步。 近期综合光子和芯片规模量子设备的进步有望使远程传输设置小型化,但可扩展性仍然是一项重大的工程挑战。

卫星传送

米修斯卫星实验(2016–2020年)标志着一个里程碑,实现了量子电传,从地面站到卫星的电传。 这些试验使用了一条下链式源头,在地面上进行了贝尔测量。然后卫星将古典信息转发给国家重建。 结果是在距离上传送了1400公里,忠诚度超过80%。 未来项目的目标是建立一个多颗卫星网络,以便实现全球规模的量子电传——这是走向世界范围的量子互联网的关键一步。

量子电传的未来

随着技术的成熟,量子电传将从实验室演示过渡到现实世界的基础设施。 欧洲量子互联网联盟、美国能源部的量子互联网计划以及中国的量子空间实验计划都在投资于以电传为基础的网络。 在十年内,我们可能看到第一个将几个城市连接起来的集成量子网络,利用电传将量子计算机和传感器连接起来。 电传在量子感知、使原子钟网络具有前所未有的稳定性以及像空间一样的钟不平等侵犯量子力学等基础测试中也起到一定的作用。

将缠绕、测量和经典通信结合起来,定义电传技术,仍将是量子技术的核心操作。 虽然电传宏观物体仍然是科幻作品,但转移量子状态的能力可靠地打开了确保外交、分布式计算和对宇宙更深刻的理解的大门。

结论

量子电传远不止于理论上的好奇心。它是实用的协议,它能够不移动载体粒子而转移量子信息。它通过利用缠绕和古典通信,解决了无克隆定理的根本局限性。 实验进展的速度 — — 从几公里的纤维到洲际卫星连接 — — 证明了电传的可行性和重要性。 忠诚、可伸缩性和环境脱节方面的挑战依然存在,但轨迹是明确的:电传量将是下一代通信和计算系统的基础构件。

进一步阅读,见C.H.Bennett等人的原始提案,[]“通过古典和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森海峡传送未知量子国”[(物理审查函,1993年),以及J.Yin等人最近在自由空间中演示量子电传超过143公里的量子电传,2020年11月,使用米修斯的卫星电传实验在[科学(2017)中作了描述,关于量子互联网的概述可在 NIST的量子互联网网页上找到。