互联网通信革命：量子与经典的首次共存
Dr. Prem Kumar, Director of the Center for Photonic Communication and Computing, Professor of Electrical and Computer Engineering, Northwestern University, Image credit: Northwestern University McCormick School of Engineering 互联网通信革命：量子与经典的首次共存 一项有望重塑未来电信业领域的突破性进展中，美国西北大学的研究人员们成功实现了许多人眼中“不可能完成的任务”：在已承载常规互联网流量的光纤电缆上实现了量子隐形传态。由Prem Kumar教授领衔的这项研究表明，量子通信与经典通信能够在现有基础设施上共存，有望彻底改变未来安全通信的研究方向。 近期，我们有幸采访到了Kumar教授，下文将呈现他对这一复杂领域以及其团队所取得重大突破的深入解读。 经典与量子：两大系统的对比为了让大家更好地理解这项突破的意义，Kumar教授首先从我们日常生活中常见的经验入手，解释了经典通信和量子通信之间的本质区别。 “不妨想象一下我们现在是如何进行经典数据传输——比如我们现在这样跨越大洋进行交流，”Kumar教授解释说，“我的声音先被转换成电信号，然后被数字化成一串0和1的编码，再通过无线信号、光纤等多种渠道传送出去。在你那边，这些数据又被解码还原成声音。从本质上讲，我们就是把比特，也就是0和1，从一个地方传送到另一个地方。” 然而，量子通信的原理则截然不同。它传输的不是一个个比特，而是一个粒子的完整量子态。理论上，我们可以直接传送粒子本身，但通过量子隐形传态技术，我们可以在不移动原粒子的前提下，实现量子态的远距离传输。 在对比经典信息和量子信息时，两者的差异更加明显：“经典信息基本上就是一个二元系统，就像一枚硬币，要么是正面朝上，要么是反面朝上，再比如电信号，要么是高电平，要么是低电平，”Kumar教授指出，“它始终只有一个确定的状态。而量子信息则可以处于一种叫做‘叠加态’的状态，也就是说，一个粒子可以同时处于两种不同的状态。” 为了进一步解释这个概念，Kumar教授打了个生动的比方：“在3D电影院里，你的眼镜的一只镜片只允许水平偏振的光通过，另一只镜片则只允许垂直偏振的光通过。这就是经典的分离。但在量子世界里，一颗单光子可以同时携带这两种偏振态。传输这种完整的叠加态——而不仅仅是‘正面’或‘反面’——这就是我们所说的量子通信。” 量子系统能够同时存在于多种状态之中（著名的薛定谔的猫的思想实验就形象地说明了这一点），这赋予了量子系统独特的能力，也使得量子通信与经典数据传输有着本质的区别。经典通信只能传输比特（0 和 1），而量子通信则能传输粒子的完整量子态，包括所有可能的叠加态。 打破量子壁垒传统观点认为，量子信号（由单光子携带）会被经典数据传输所使用的数百万光子淹没。然而，Kumar教授的团队找到了一个巧妙的解决方案：通过仔细测量光在光纤中的散射方式，他们找到了一个“安静”的波长，使量子信号能够不受干扰地传输。 “我们在测量了拉曼散射光子的分布后，精确地选择了1290纳米这一波长，并在这里创建了量子信道。”Kumar教授解释道。对波长的精准选择至关重要，让量子信号能够与在1550纳米左右的强力经典通信信号共存。 光散射的挑战研究团队面临的主要障碍之一是拉曼散射——当光与光纤中玻璃分子振动相互作用时，会将光散射到不同的波长，从而可能淹没本就微弱的量子信号。 “光纤本质上是一种非常细的导光管，一根固体的玻璃丝。”Kumar教授解释道，“当光在纤芯中传输时，会受到玻璃分子振动的影响。” 为解决这一问题，团队采用了系统而精确的方式。通过对光纤中拉曼散射的测量，他们找到了类比于大气“透明窗口”的波长区间，进而将量子信道选定在1290纳米，而在1550纳米左右则进行经典通信。 纠缠与量子存储器的作用量子隐形传态的核心是纠缠现象——爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。要完成隐形传态，发送者（通常被称作 Alice）和接收者（Bob）事先需要共享纠缠光子对。“它是一种资源，”Kumar教授解释说，每一次的隐形传态都会消耗一对纠缠光子。 挑战在于如何存储这些纠缠态。量子存储器——能保持量子态的装置——仍是一个至关重要的研究领域。目前，各种基于原子、离子或固态系统的方法都展现了潜力，但如何实现高效且寿命长的量子存储器，仍是该领域的一大难题。 技术成就这项实验在同一根光纤同时传输400 Gbps（相当于同时播放约10万部高清电影）的经典数据情况下，成功演示了量子隐形传态。团队在30公里的传输距离上，通过精密的滤波技术，确保量子信号保持完好。 “我们在拉曼散射方面遭遇的干扰水平，与探测器本身的暗计数噪声相当，”Kumar教授解释说。这一突破表明，量子通信或许能直接利用现有的光纤网络，而无需完全重新建设一套新的系统。 理解量子隐形传态不同于将信息转换为电信号、再变成光脉冲的经典通信方式，量子隐形传态依赖的是量子纠缠。这种过程允许一个粒子的量子态即刻反映到另一个粒子上，哪怕二者相隔甚远。 然而，Kumar教授特别强调了一个重要区别：虽然量子态的塌缩可以说是瞬时，但要真正使用这条信息仍需通过经典通信——它受限于光速。“量子态的塌缩虽是瞬时，但若没有经典信息的辅助，就无法加以利用，”他解释道。 安全与应用：现实意义这一发现对安全领域有重大意义。与依赖于数学难度的经典加密不同（未来有可能被更强大的量子计算机破解），量子通信的安全性建立在物理定律之上。“目前的加密系统有被‘先记录后破解’的风险，”Kumar教授指出，“量子通信或许能提供一种更面向未来的安全方案。” 这项技术的潜在应用不仅限于安全通信。它还能实现分布式量子计算：通过量子隐形传态，将不同地点的量子处理器连接起来，从而创建更大规模的量子计算系统，而不需要打造庞大的单体量子处理器。 […]
