很多人小时候都玩过传声筒游戏：A将消息小声告诉B，然后B将他听到的内容小声告诉C，依此类推，玩过的人都知道，最后传达到的信息往往和真实消息完全不同。

从某种意义上说，这和中继器技术的重要性强相关。中继器是一种旨在避免信息传达失真的设备。如果没有中继器，通过连接发送的数据可能会变得无用。从本质上讲，如果没有中继器，我们就无法获得大规模的计算机网络。

虽然我们有各种各样的传统中继器，但还没有一个功能齐全的量子中继器。随着量子计算机的发展，科学家开始需要将这些计算机连接在一起，量子中继器也将成为必需品。

Paul Kwiat是Kwiat量子信息组负责人兼伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授，他也是Q-NEXT量子通信工作的领导者，Q-NEXT是美国能源部（DOE）国家量子信息科学研究中心，由美国能源部阿贡国家实验室领导。Q-NEXT是一个由来自三个国家实验室、10所大学和14家公司共约100名专家组成的组织，正在开发控制和分发量子信息所需的科学和技术。

Kwiat说：“我们的目标是以比现有系统更好的方式实现和发展长距离的量子通信链路，这需要创建量子中继器。”

复制问题

量子世界是一个奇怪的领域，对于人类来说很难理解。我们的经验和量子领域之间的差异之一：是量子比特不能复制。

传统的中继器是传声筒游戏的专家。许多经典的中继器不是混淆孩子们在窃窃私语中传递的信息，而是有效地获取他们被告知的信息，以一些数据的形式出现，精确地复制几次，然后将这些副本发送到下一个节点。

对于量子计算专家来说，当你使用量子比特（量子信息的基本单位）而不是常规计算机中使用的经典比特时，过程并不简单。就像薛定谔的猫，量子系统在被测量之前没有确定的状态，而测量它们的行为本身就可以改变这些量子物体的状态。事实上，Erwin Schrödinger将他的猫问题概念化，指出我们不能像理解人类世界那样去理解量子世界。

Kwiat说：“你可以复制经典的比特，但如果你有一个量子比特，而你不知道它的状态是什么，你就无法如实地复制它，因为存在噪声。”

Kwiat提到的“噪声”是量子计算领域面临的最大挑战之一。为了简化这个复杂问题，打个比方：量子噪声有点像我们在聚会上听到的噪音。在音乐和其他人说话的声音中，我们很难听清朋友的声音。

在量子计算中，这种噪声不是人类能听到的。它可以是来自附近Wi-Fi的电磁信号或地球磁场中的微小干扰。

那么，如果科学家不能复制他们对经典系统所做的工作，他们将如何创建一个量子中继器来实现长距离的量子网络？

虽然我们还没有一个功能齐全的量子中继器，但可以对它们的工作方式提出一些要求。一个有希望的途径是纠缠交换。

纠缠交换解决方案

当两个或多个量子相互作用时，就会发生纠缠，它们不再彼此独立。每个量子都有某些特性，如动量、位置或极化，可以与它纠缠的另一个粒子的相同特性强耦合。

当纠缠被移植到另一个粒子时，就产生了纠缠交换。纠缠交换将成为未来量子中继器的基础，因为它将原本未连接的节点链接在一起。（图片来源：网络）

纠缠态的一个特例是贝尔态，它是两个量子比特的最简单和最大纠缠量子态。如果两个粒子以相同的方式独立测量，即使每个结果本身都是随机的，它们也会产生相同的结果。就好像两枚硬币在不同的城市被抛出，但总是给出相同的结果。

其中一种应用是量子隐形传态，纠缠的概念可用于在共享纠缠的各方之间转移未知的量子态。如果一个传送的粒子本身被另一个粒子纠缠在一起，我们就有了纠缠交换的过程。为了便于说明，我们先介绍Alice, Bob 和 Christine。

（图片来源：网络）

想象一下，他们每个人都控制着量子。Christine和Alice共享一对纠缠的量子，Christine和Bob也是如此。目标是让Bob的量子与Alice的量子纠缠在一起，但它们没有直接的联系。

Bob 和 Alice 将各自从准备已知的贝尔对开始，这是两个量子比特的纠缠量子态。Alice会向Christine发送一个准备好的量子比特并保留一个，Bob也会向Christine发送一个量子比特并保留一个。Christine在她新获得的量子比特之间执行贝尔投影，并执行纠错，导致Bob发送给Christine的量子比特被传送给Alice，反之亦然。净效应是Bob和Alice的量子比特现在彼此纠缠，从而在更长的链路上产生纠缠，并为大规模量子网络奠定基础。

像这样的纠缠交换将成为未来量子中继器的基础，因为它们将原本未连接的节点链接在一起。把它想象成在嘈杂的派对上玩传声筒游戏。如果一个人没有听到正确信息，就无法正确传递信息，量子中继器也是如此。目前为止，在长且有损耗的通道上传输量子信息而不会丢失或破坏脆弱的量子态，纠缠交换是最有效的方法。未来的量子中继器将依赖于纠缠交换，Q-NEXT正在努力更好地了解如何构建这些中继器。

价值是什么？

量子计算本质上是一个难以理解的话题，因此人们经常问这项技术的实际价值是什么。为了理解为什么需要量子中继器，我们需要讨论通过量子网络传输信息的价值。

量子网络的应用之一是密码学。在网络上移动数据会带来攻击者窃取或更改数据的风险，因此必须采取安全措施。

量子密钥分发（QKD）是一种有前途的技术，它依赖于量子中继器。QKD是一种安全的通信方法，利用量子物理学的独特属性来保护数据免受攻击者的攻击。如果我们希望QKD高效且有效，我们需要将网络传播到很远的距离。因此，强大的量子中继器将用于大规模QKD部署。

量子网络的第二个应用涉及量子计算机。对这种处理器进行安全和远程编程的唯一方法是通过量子链路。此外，高速量子网络可用于直接连接两个或多个量子过程，以创建一个巨大的分布式量子处理器。例如，两台量子计算机作为一个整体，比它们独立行动更强大。如果每个量子处理器比经典计算机强大一百万倍，那么它们的纠缠贡献则强大一百万倍。

最后，量子网络可以实现非常灵敏的分布式量子传感器。例如，Kwiat指出，随着量子网络的实现，望远镜和宇宙研究将迅速发展。现在，我们依靠一种方法，可以采用一系列物理望远镜并结合它们的输入数据，来模拟一个巨大的望远镜，但这些方法仅适用于无线电波或短距离。量子中继器可以帮助我们更有效地将望远镜连接在一起。

Kwiat说：“如果使用量子网络将两个望远镜连接在一起，就可以将信号从一个望远镜传送到另一个望远镜。如果已经有效地启动并运行了量子网络，那么量子信息的传输是无损的。原则上，你可以拥有间距更远的望远镜，实现更高的分辨率。”

当然，所有这些发展都需要一个功能正常的量子中继器。Q-NEXT希望成为这些设备开发的领导者。Q-NEXT科学家正在寻求多种硬件平台来实现中继器，包括离子阱、中性原子和超导量子比特，以及这些设备之间的互连手段。

Q-NEXT还助力于这一领域的全球发展。例如，Q-NEXT和芝加哥量子交易所在当地共同组织了第三届量子中继器和网络研讨会。该研讨会旨在将量子研究界聚集在一起，讨论开发量子中继器的机遇和挑战。这包括一个名为“从头开始的量子中继器网络”的教程，该教程无需任何量子经验，他们希望能将这些知识传播给尽可能多的人。

考虑到来自37个机构和9个国家的约100名研究人员参加了研讨会，这对Q-NEXT和整个量子社区来说显然是成功的。随着量子通信技术的发展，Q-NEXT将继续努力，将量子中继器推向世界。

这项工作得到了美国能源部国家量子信息科学研究中心的支持。

关于阿贡国家实验室

阿贡国家实验室致力于解决紧迫的国家科学技术问题。作为美国第一个国家实验室，阿贡在几乎所有科学学科中都进行前沿的基础和应用科学研究。阿贡大学的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，帮助他们解决具体问题，提升美国的科学领导地位，并为国家创造更美好的未来做好准备。Argonne的员工来自60多个国家，由UChicago Argonne，LLC为美国能源部科学办公室管理。

编译：卉可

​编辑：慕一