2025/09/07 02:33:17 1,359次浏览

IT之家 8 月 31 日消息,美国宾夕法尼亚大学的工程师团队已在现实场景中,首次使用当今互联网的通信协议(IP),在商业光纤网络上传输量子信号,相关研究成果已发表于《科学》期刊。该团队利用现有互联网系统,推动量子互联网从理论层面迈向了现实应用。

量子信号的一大显著特性是强度极弱:一旦对其进行测量,就会失去量子纠缠特性;而环境中过多的噪声,也会导致信号无法读取。不过,工程师们此次成功实现了突破 —— 让量子信号在常规 IP 信号占用的繁忙互联网基础设施中完成传输。

这一传输成果的核心在于“Q 芯片”(Q-Chip),这是宾夕法尼亚大学研发的一款硅基芯片,专门用于在互联网中协调传统信号与量子信号。其全称是“光子量子 - 经典混合互联网芯片”(Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics),能够将标准信号与量子信号打包整合,使其可在城市光纤互联网线路中稳定传输。该芯片兼具收发功能,无需对量子关联信号进行测量,就能自动修正噪声干扰。

据IT之家了解,量子计算与传统计算分属完全不同的技术领域。传统计算机依靠晶体管、比特和电子进行运算,以“0”和“1”(即“开”与“关”的状态)表示信息;而量子计算的原理则截然不同,其借助量子比特(qubit),利用量子纠缠效应,使量子比特不仅能表示“0”和“1”,还能呈现这两种状态之间无数种叠加形态。

但量子纠缠的应用极具挑战性:一旦量子信号被测量,其量子特性就会消失。在薛定谔的思想实验中,将一只猫与放射性同位素一起放在封闭的盒子里,只有打开盒子观察猫,才能确定它是活的还是死的。量子粒子的情况与之相似:未被观测时,它们可处于“叠加态”(既非“0”也非“1”);而一旦被观测,量子关联便会断裂,最终只能呈现“0”或“1”的确定状态。这一特性使得量子信号的互联网传输难度极大。

该项目的博士生罗伯特・布罗伯格在接受 Phys.org 采访时解释道:“常规网络会通过测量数据来引导其抵达最终目的地,但纯量子网络无法这样操作 —— 因为对量子粒子的测量会直接破坏其量子态。”

为解决这一难题,Q 芯片采用了“列车式组合”方案:将量子信号与基于光的标准互联网信号配对。其中,标准互联网信号如同“引擎”,负责路由导航;量子信号则像“货物”,伴随其一同传输,且在整个传输过程中,两端均不会对量子信号进行测量。这种配对机制还能实现噪声修正:由于收发两端的 Q 芯片均知晓标准信号的预期状态,因此可先对光基标准信号进行误差修正,再据此推断出量子信号的修正方案。

该研究论文的资深作者梁峰(Liang Feng,音译)表示:“我们的研究证明,集成芯片能够在 Verizon 这类现役商用网络中处理量子信号,且使用的是运行传统互联网的同款协议。这一成果为开展更大规模实验、构建实用化量子互联网迈出了关键一步。”

梁峰和罗伯特・布罗伯格

从理论上讲,Q 芯片系统可在该校所在地费城的 Verizon 光纤网络任意节点运行,同时也适用于其他城市的互联网基础设施。不过,要实现量子信号的长距离重复传输,仍需进一步研究 —— 这是构建城市间乃至更远距离量子互联网连接的必要前提。

当前,量子计算正不断向现实应用迈进,而这项“依托现有互联网基础设施传输量子信号”的研究具有不可估量的价值。量子技术的下一步发展方向虽仍存在不确定性,但各国政府与企业均在积极投入,力争率先实现其实际应用落地。

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