為什麼兩個晶片間的量子遙傳,對量子通訊這麼重要?

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 13 日 8:30 | 分類 尖端科技 , 網路 follow us in feedly


布里斯托大學與丹麥科技大學的學者,首次實現了兩個晶片之間的「量子遙傳」(Quantum Teleportation),利用量子糾纏原理,成功將一個晶片中的量子態傳輸到另一個晶片中。這個實驗的意義在於量子態可以透過程式碼編輯,讓 A 晶片的量子態能夠在 B 晶片同步,目前成功率為 91%,同時最多可以讓 4 個光子糾纏在一起。

研究成功在實驗室中,讓晶片產生共享一個量子態的兩個光子,接著可以透過程式編輯量子態,並且將發送器晶片的量子傳輸到接收器晶片,而這兩個量子可以在執行量子測量後共享一個量子態。之前的實驗是在單一晶片完成,能在兩個晶片同時實現糾纏態是重大突破。

量子遙傳是什麼東西?

基於「量子糾纏態」的量子遙傳技術,目前認為是難以竊聽、高效率的訊息傳輸技術,充分利用無論距離多遠、量子都得以表現出同樣行動特徵的方式為傳輸手段,基於海森堡不確定性原理與量子不可複製原理,量子的運作型態無法重新演繹一遍,因此每個量子的運作特性都獨一無二,也因此以目前的理論來看,量子通訊認為是難以竊聽,同時極為安全的通訊方式。

不過使用「Teleportation」這個字會讓人誤解這是瞬間傳輸,事實上這是基於傳統線路傳輸的量子通訊技術,你可以想像是在現有技術加上量子通訊加密技術,可透過衛星、光纖等方式傳輸(目前都已實驗成功),所以傳輸速度不會高於光速。

▲ 晶片設計原理圖。(Source:University of Bristol

但這樣的加密方式不只可以應用在一般通訊,包括存在網路硬碟的個人資料訊息、家裡的監視鏡頭、遠端遙控的電器、連上網路的車載系統,都可以使用這種方式加密,避免駭客入侵或破壞,甚至往後在智慧電網與各類電廠的遠端遙控也能使用,確保使用這些網路設施的安全性。

量子彼此糾纏的距離沒有任何限制,這件事情連愛因斯坦本人都曾感到困惑,稱之為「遠距離的詭異動作」(Spooky action at a distance)。幾十年來量子力學的許多謎團,就在各強國與企業不斷投入預算下,於近幾年不斷出現突破。

量子通訊普及的挑戰在哪裡?

但即便如此,要實現量子通訊還有很長一步路要走,最重要的挑戰在長距離的光纖網路要發送量子位元不是簡單的事。由於光纖在長距離輸送下會損耗光子,如果要以 10GHz 速率發送光子,可能幾百年才會檢測到一個,而現在的技術是透過放大器改善訊號損耗問題,但如果對光子使用同樣方法,會導致光子的特性被破壞(包括糾纏特性),這也是為什麼目前的量子通訊實驗也包含「距離測試」的原因。

如果要讓量子通訊普及,目前公認的做法就是需要建立量子網路中繼站,工作原理是在光子能成功傳送的最大化距離設計中繼站,並利用類似放大器的原理(但不是傳統那種),將量子訊號安全穩定地傳送到下一個中繼站,直到傳到目標電腦。也因此光子能穩定傳輸的距離越長、中繼站設立越少,成本自然越低。

而一個晶片光子傳到另一個晶片光子的意義也跟量子中繼站有關,中繼站需要能儲存量子的設備,並要確認糾纏狀態能在一個個傳送儲存過程中保留,這是量子通訊及量子網路的重要關鍵,尤其量子儲存設備跟一般通信設備不太一樣,因此轉換之間是否能保留、留存與發送的效率也成為技術開發重點。

全球量子科技的競爭

目前全球就是美國、中國、歐洲三大區域對量子通訊的開發最積極。2019 年 6 月,歐盟 7 個成員國共同簽署聲明,同意在未來十年內共同研究,如何打造橫跨全歐盟的量子通訊基礎設施,英國本身則投入 2.35 億英鎊建立國家量子中心;美國則以 2018 年 6 月的國家量子計畫法開始,全面性推動國家政策與資源增進量子科技發展。

中國則在加密通訊部分的進展最驚人,除了已能傳送光子到衛星的「墨子號」,根據華郵引用 Patinformatics 統計,在量子通訊領域,中國的專利數是美國近 2 倍,美國則在量子電腦專利領先。對全球各強國來說,量子科技的掌握已是軍事競賽,而不是單純的科技追求。

▲ 中國與美國量子通訊的專利差異。(Source:Patinformatics

台灣目前的量子電腦投資,根據科技部長陳良基所說,2018 年開始補助台清交中央成大五校預算,進行量子電腦相關研究計畫,每年約台幣 1 億元。但這樣的發展腳步是否足夠?在全球半導體產業占有一席之地的台灣,如果願意拿出更多資源,或許台灣也能跟上全球量子科技的腳步,並讓半導體科技得以與接下來的量子世代相輔相成。

(首圖來源:pixabay

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