牛津科学家实现量子计算机间远程“瞬间传输”

近期，来自牛津大学的研究团队宣布，他们在量子计算领域取得了新重大突破，成功实现了逻辑门的量子“瞬间传输”，并将其在相隔超过六英尺的两个量子处理器之间完成，有望彻底改变量子计算的未来。

据英媒2月12日报道，牛津大学团队利用光粒子（光子）在两个设备之间建立了共享的量子连接，从而实现了远程协作，让两台处理器能够同时运行相同的算法，还解决了长期困扰量子计算发展的“可扩展性问题”。

研究人员表示，这项突破可能是构建实用量子计算机的关键一步。

一、量子计算机为何难以普及？

要理解这项突破的意义，需知道当前量子计算机面临的最大技术难关之一：规模化。

传统计算机使用“比特”作为数据的基本单元，比特只能表示0或1两种状态。而量子计算机的基本单元是“量子比特”（qubit），它可以同时处于0和1的叠加状态。这种特性使得量子计算机在某些任务上具有无法比拟的速度，比如密码学、优化问题和大规模数据搜索。

但量子计算的力量源自其操作大量量子比特的能力，想实现真正的“颠覆性”量子计算机，设备至少需要处理数百万个量子比特。目前，一台能够容纳如此多量子比特的量子计算机需要异常庞大的体积，几乎不可能成为现实中的消费产品。

牛津大学的研究团队对此提出了另一种解决方案：与其试图建造单一巨型量子计算机，不如通过量子传输技术将多个小型量子设备连接起来，形成一个“统一体”。这就好比将几个小引擎组合成一个强大的动力系统，既解决了体积问题，也让技术实现变得更为现实。

二、“瞬间传输”技术如何运作？

这次的实验中，研究人员使用了两个包含受控离子量子比特的独立模块。

为了让这两个模块“沟通”，他们将其中的量子比特分为两类：用于通信的“网络量子比特”和负责计算的“电路量子比特”。研究团队通过光子在两个模块之间建立了共享的量子状态，这种状态被称为“量子纠缠”。

“量子纠缠”是量子力学中最神奇的现象之一，当两个粒子处于纠缠状态时，无论它们相隔多远的距离，一个粒子的状态变化会立即影响另一个粒子的状态，两者之间就像是存在某种隐形的“心灵感应”。

这种现象让科学家能够在不移动物理粒子的情况下，远距离传递信息。

研究人员利用“量子门传输”技术，通过纠缠态实现了远程量子操作。量子门是量子计算算法的基本组成部分，就像传统计算机中的逻辑门一样。

与传统逻辑门只能操作0和1不同，量子门能同时处理叠加态信息，从而让计算并行进行，这正是量子计算机在某些任务上效率超群的原因。

三、实现分布式计算

报道称，该技术突破的核心，不仅仅在于数据的传输，而是让两个物理上独立的量子处理器能够像一台统一的量子计算机那样协同工作。

研究团队通过这种分布式系统，成功运行了著名的量子搜索算法——Grover算法，该算法以远快于传统方法的速度搜寻未排序数据。团队在实验中实现了71%的运行成功率，证明了通过量子传输连接设备的潜力。

团队负责人杜加尔·梅因（Dougal Main）表示，这次实验不仅展示了量子传输在远程连接中的可行性，还为未来的“量子互联网”铺平了道路。

梅因解释说，未来的量子互联网将由分布在全球的量子处理器组成，能够形成一个超安全的通信和数据处理网络。这种网络由于量子力学的独特特性，几乎无法被破解，从而提供前所未有的安全性。

“通过精确设计这些交互，我们能够在分离的量子处理器之间执行逻辑量子门操作。这种突破让我们能够将多个独立的量子模块‘接线’为一台完全连接的量子计算机，”梅因说道。

据悉，实验中量子门的传输成功率为86%，但距离量子计算实际应用所需的“容错阈值”（通常超过99%）还有差距。研究人员表示，要让这种技术真正走向实用化，仍需改进传输精度和系统稳定性。

牛津大学实验的主要负责人大卫·卢卡斯（David Lucas）教授表示，当前技术已经证明了分布式量子信息处理的可行性，但要将其推向实际应用，还需要付出巨大的努力。

“量子计算的规模化仍然是一个巨大的技术挑战，这不仅需要物理学上的新见解，还需要未来几年的密集工程开发。”

其实量子计算的研究并不仅限于英国。在美国，哈佛大学的科学家们也在努力推动量子互联网的实现。2024年，哈佛团队成功让量子比特在远距离之间共享量子纠缠，为未来的量子网络提供了重要支持。

量子计算的未来，值得期待。