量子信号首次可通过传统互联网协议传输 现有光纤也能实现应用

IT之家8月31日消息，美国宾夕法尼亚大学工程师团队在现实场景中首次利用当今互联网的通信协议（IP），成功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。该团队借助现有互联网系统，推动量子互联网从理论层面迈向现实应用。

量子信号传输面临两大核心挑战：一是强度极弱，一旦对其进行测量，就会失去量子纠缠这一关键特性；二是在传输过程中，环境噪声容易导致信号无法被读取。不过，工程师团队此次实现了突破，让量子信号能够在常规互联网的繁忙基础设施中稳定传输。

该传输成果的核心技术是宾夕法尼亚大学研发的“Q芯片”（Q-Chip），这是一款专门用于在互联网中协调传统信号与量子信号的硅基芯片。它的全称是“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进行打包整合，使量子信号得以在城市光纤互联网线路中稳定传输。该芯片具备收发功能，能够在不需要对量子关联信号进行测量的情况下，自动修正噪声干扰。

要理解这一技术，需要先明确量子计算与传统计算的差异：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）来表示信息；而量子计算的原理截然不同，它借助量子比特（qubit），利用量子纠缠效应，让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。这类似于薛定谔的思想实验：将一只猫与放射性同位素放在封闭盒子里，只有打开盒子观察，才能确定猫是活的还是死的；量子粒子的情况与之相似，未被观测时处于“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。

为解决传输难题，该团队采用了“列车式组合”方案：将量子信号与基于光的、基于标准互联网的信号配对。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，因此可以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。据研究团队介绍，Q芯片系统可在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。

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，集成芯片能够在现有的商用网络环境中处理量子信号，并且采用运行传统互联网的同款协议。这为量子互联网的实用化发展奠定了重要基础。”梁峰和博士生罗伯特·布罗伯格指出，Q芯片系统可在费城当地的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领域迈进，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。未来量子技术的走向仍存在不确定性，但各国政府和企业均在积极投入，力争率先实现量子技术的实际应用落地。”