《電子技術(shù)應(yīng)用》
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量子信號(hào)首次實(shí)現(xiàn)通過傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳輸

從理論到現(xiàn)實(shí)!現(xiàn)有光纖就能用
2025-09-01
來源:IT之家

8 月 31 日消息,美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)已在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中,首次使用當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議(IP),在商業(yè)光纖網(wǎng)絡(luò)上傳輸量子信號(hào),相關(guān)研究成果已發(fā)表于《科學(xué)》期刊。該團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),推動(dòng)量子互聯(lián)網(wǎng)從理論層面邁向了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

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量子信號(hào)的一大顯著特性是強(qiáng)度極弱:一旦對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,就會(huì)失去量子糾纏特性;而環(huán)境中過多的噪聲,也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無法讀取。不過,工程師們此次成功實(shí)現(xiàn)了突破 —— 讓量子信號(hào)在常規(guī) IP 信號(hào)占用的繁忙互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中完成傳輸。

這一傳輸成果的核心在于“Q 芯片”(Q-Chip),這是賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的一款硅基芯片,專門用于在互聯(lián)網(wǎng)中協(xié)調(diào)傳統(tǒng)信號(hào)與量子信號(hào)。其全稱是“光子量子 - 經(jīng)典混合互聯(lián)網(wǎng)芯片”(Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics),能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)信號(hào)與量子信號(hào)打包整合,使其可在城市光纖互聯(lián)網(wǎng)線路中穩(wěn)定傳輸。該芯片兼具收發(fā)功能,無需對(duì)量子關(guān)聯(lián)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,就能自動(dòng)修正噪聲干擾。

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據(jù)了解,量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算分屬完全不同的技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依靠晶體管、比特和電子進(jìn)行運(yùn)算,以“0”和“1”(即“開”與“關(guān)”的狀態(tài))表示信息;而量子計(jì)算的原理則截然不同,其借助量子比特(qubit),利用量子糾纏效應(yīng),使量子比特不僅能表示“0”和“1”,還能呈現(xiàn)這兩種狀態(tài)之間無數(shù)種疊加形態(tài)。

但量子糾纏的應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性:一旦量子信號(hào)被測(cè)量,其量子特性就會(huì)消失。在薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)中,將一只貓與放射性同位素一起放在封閉的盒子里,只有打開盒子觀察貓,才能確定它是活的還是死的。量子粒子的情況與之相似:未被觀測(cè)時(shí),它們可處于“疊加態(tài)”(既非“0”也非“1”);而一旦被觀測(cè),量子關(guān)聯(lián)便會(huì)斷裂,最終只能呈現(xiàn)“0”或“1”的確定狀態(tài)。這一特性使得量子信號(hào)的互聯(lián)網(wǎng)傳輸難度極大。

該項(xiàng)目的博士生羅伯特?布羅伯格在接受 Phys.org 采訪時(shí)解釋道:“常規(guī)網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過測(cè)量數(shù)據(jù)來引導(dǎo)其抵達(dá)最終目的地,但純量子網(wǎng)絡(luò)無法這樣操作 —— 因?yàn)閷?duì)量子粒子的測(cè)量會(huì)直接破壞其量子態(tài)?!?/p>

為解決這一難題,Q 芯片采用了“列車式組合”方案:將量子信號(hào)與基于光的標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)配對(duì)。其中,標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)如同“引擎”,負(fù)責(zé)路由導(dǎo)航;量子信號(hào)則像“貨物”,伴隨其一同傳輸,且在整個(gè)傳輸過程中,兩端均不會(huì)對(duì)量子信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這種配對(duì)機(jī)制還能實(shí)現(xiàn)噪聲修正:由于收發(fā)兩端的 Q 芯片均知曉標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的預(yù)期狀態(tài),因此可先對(duì)光基標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行誤差修正,再據(jù)此推斷出量子信號(hào)的修正方案。

該研究論文的資深作者馮亮(Liang Feng,音譯)表示:“我們的研究證明,集成芯片能夠在 Verizon 這類現(xiàn)役商用網(wǎng)絡(luò)中處理量子信號(hào),且使用的是運(yùn)行傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的同款協(xié)議。這一成果為開展更大規(guī)模實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建實(shí)用化量子互聯(lián)網(wǎng)邁出了關(guān)鍵一步?!?/p>

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馮亮和羅伯特?布羅伯格

從理論上講,Q 芯片系統(tǒng)可在該校所在地費(fèi)城的 Verizon 光纖網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點(diǎn)運(yùn)行,同時(shí)也適用于其他城市的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。不過,要實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)的長(zhǎng)距離重復(fù)傳輸,仍需進(jìn)一步研究 —— 這是構(gòu)建城市間乃至更遠(yuǎn)距離量子互聯(lián)網(wǎng)連接的必要前提。

當(dāng)前,量子計(jì)算正不斷向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用邁進(jìn),而這項(xiàng)“依托現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施傳輸量子信號(hào)”的研究具有不可估量的價(jià)值。量子技術(shù)的下一步發(fā)展方向雖仍存在不確定性,但各國(guó)政府與企業(yè)均在積極投入,力爭(zhēng)率先實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用落地。


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