最近IBM公司和哈佛大學取得量子計算領域的重大突破，在國際上引發轟動，但中國的一項重大突破卻有些悄無聲息。如果說IBM和哈佛的突破正在爲構建通用量子計算機鋪平道路的話，中國的突破則是爲將這些量子計算機連接起來，構建量子互聯網鋪平了道路，所以這種悄無聲息就顯得非常奇怪，我們今天就來聊聊這究竟是怎麼回事。

量子計算突破

首先我們還是要稍微回顧一下IBM和哈佛的突破。簡單來說，IBM上月發佈了世界上第一個超過1000量子比特的量子芯片，以及配備３個第三代量子芯片的世界上第一臺模塊化實用量子計算機，聲稱就像1950年代計算機誕生前一樣，量子計算機也即將誕生，人類文明已再次處於大突破的鉅變前夜。

而哈佛大學的突破更牛，量子計算機之所以遲遲無法突破，主要原因就在於量子比特太脆弱，容易崩潰，往往來不及做計算就退相干了，所以需要量子糾錯，平均要1000多個硬件量子比特才能形成一個真正可用的物理邏輯量子位。而至少要幾百個甚至幾千個邏輯量子位的量子計算機，才能對人類文明產生顛覆性的影響，所以IBM的突破仍然任重道遠，甚至根本難以實現，因爲你要操作幾百上千萬個接近絕對零度的硬件量子比特，這難度和登天也差不離了。

但哈佛最牛的就是，他們僅僅用了280個物理量子比特，就構建了48個邏輯量子位，一下子就把登天變成了爬山，從沒有什麼希望變成了希望似乎就在眼前，通用量子計算機的構建真正看到了曙光。

光纖網絡

但量子計算機即使能夠實現，你很容易想到的就是，像我們現在的互聯網一樣，它們也需要聯網才能發揮巨大的作用，你現在一臺無法聯網的計算機，包括我們的手機還有什麼用呢？然而量子計算機要聯網，卻面臨巨大的甚至不可逾越的鴻溝。

我們目前的互聯網，是通過電線、光纜或衛星來連接的，簡單來說，就是把電腦的電信號，通過電線、無線電進行傳輸，或轉變爲光信號通過光纜進行傳輸，到達另一臺計算機後重新轉爲電信號進行處理。這個轉換的過程就是調製和解調，把信號編碼到電磁波、光波中，變成幅度、頻率或相位的不同。

一說專業術語你可能就雲裏霧裏，腦袋大了，現在我們用河流來做個比喻，調製就是我們在上游擾動波浪，讓有些波浪高一點，有些低一點，或擾動快一點，慢一點，讓波浪更密集或稀疏一些，或讓有些波提前一些，有些波延後一些，這些高低、疏密、提前或延後，就承載了我們要傳輸的信號，到下游再根據這些不同的特徵，把信號還原，也就是解調出來。

以前人們是用電線來傳輸信號，能夠編碼的信息不多，再加上容易受電阻、電容、電感、電磁干擾等因素的影響，導致信號失真，噪聲增加，帶寬有限，也就是承載的信號不多，比如早期互聯網用電話線，只有5.6KB，傳一張圖片都是奢侈。隨着激光技術的發展，現在人們已經普遍用光纖來傳輸了，由於光信號比電信號頻率大得多，因而可以編碼更多的信息，而且可以把不同波長的光在同一根光纖中傳輸，再加上光纖衰減小，不受電磁干擾，因而帶寬比電線大得多。

同樣用河流來比喻的話，那就是電線河波浪起伏較大，波浪很少，又只有河面可用，所以承載的信息不多，並且很容易受到各種因素的干擾而衰減，也就是說流着流着波浪就沒了，信息自然也就消失了。而光纖河的波浪起伏不大，但非常密集，也就是說頻率很高，同樣寬的河面上可以承載大量信息，而且河面下還可以分很多層，每一層都可以承載信息，專業名詞就叫波分複用技術，也就是同時傳輸不同波長的光，是光纖通信的核心技術，可以大大提高光纖的通信容量和效率，所以光纖帶寬極大，還不容易受到干擾。

光纖中繼

然而光纖再強悍，它還是要衰減。比如你用手電筒照天空，沒多遠就看不到亮光了，因爲光子會被空氣中的塵埃散射、折射。但你用激光射向天空的話，就可以照到更遠的地方，不過可能還是無法穿透大氣層。現在你用激光向光纖中照射，猜猜可以照到多遠？光纖是極爲純淨的玻璃纖維，即使用它做成1公里厚的窗戶，你也能清晰地看到玻璃後面的東西，但如果有幾百公里，激光也就沒轍了，還是會衰減到無法傳輸信息的地步。

這時候我們就需要用一箇中繼器，把光信號轉回數字或模擬信號，放大後再轉爲光信號，重新進入光纖傳輸。這就像在光纖河中，流着流着眼看波浪就要平了沒了，這時候我們築一道大壩，把水攔下來，記下波浪的特徵，再重新放水造浪，把原來的波浪特徵原封不動地加載上去，繼續流向下一個中繼站，最終建成了龐大的全球光纖網絡。

巨大鴻溝

到這裏你應該已經基本搞懂基於計算機的互聯網信息傳輸基礎機制了，下面我們就來啃基於量子計算機的量子互聯網，爲什麼會面臨巨大的甚至不可逾越的鴻溝。

互聯網傳輸的是光信號，也就是編碼到光子的幅度、頻率或相位差異，這個已經有非常成熟的技術可以中繼放大了。但量子互聯網需要傳輸的是光子的量子態，極爲脆弱，比如兩個或多個光子的量子糾纏態，用光纖傳輸到100公里左右，就會損耗到無法使用的地步，所以也必須進行中繼。然而如果把量子信號轉換成電信號，再放大轉回來繼續傳輸，很明顯量子態會馬上消失，信息也就沒了，所以傳統中繼器無法中繼量子態。

那怎麼辦呢？這就要用到所謂的量子中繼器了，量子中繼器最關鍵的就是量子存儲器，可以把糾纏光子的一半，轉化爲量子態存儲起來，另一半光子則被髮送到下一個節點，在兩個節點之間創建糾纏態，經過糾纏交換後，再發送到下一個節點，所以量子中繼器實際不是放大信號，而是把信號“縫合”到下一個節點，一個節點一個節點地縫合下去。

雖然量子糾纏是幽靈般的瞬間作用，不需要時間，但把糾纏的光子送到下一個節點，卻需要光纖來傳輸，所以這裏的關鍵，就是量子存儲器，要把糾纏態存儲足夠長的時間，等到光子到達下一個節點後進行縫合。此前科學家們已發現，稀土元素鉺的離子，與損耗最小的1536nm左右的電信波長光可以完美匹配，是製造量子存儲器最有希望的候選者，然而鉺離子的自旋壽命與光學壽命之比很小。此前的研究發現，其存儲糾纏態的時間僅僅只有5納秒，單光子態是50納秒，遠遠低於我們需要的中繼存儲所需要的時間。

中國南京大學物理學院的研究人員，利用摻雜鉺離子50ppm的正硅酸釔晶體（Y2SiO5）製作了量子存儲器，並結合集成芯片上的新型糾纏光子源進行試驗，結果表明，即使在將光子存儲1936納秒，也就是約2微秒後，晶體中的糾纏態仍然得以保留，達到了以前工作的387倍，爲實用的大規模量子網絡鋪平了道路。

不過我算了一下，光纖中的光速爲20萬公里/秒，2微秒的時間，光子也只能前進400米，如果50公里設置一個節點的話，這個存儲時間還是無法實現量子中繼。然而此前已有研究表明，鉺離子在高磁場中，具有1.3s的超精細相干時間，而且這個2 微秒，可以說是從零到一的突破，證明了找鉺離子的路是對的，未來是不是可以順理成章，實現更長的糾纏態存儲時間呢？

所以這絕對是一個重大的進步，根據物理學家網（PHYS）的說法，這種既能在電信頻率下產生高質量糾纏光子，又能在適合低成本批量生產的固態平臺上存儲糾纏態的能力令人振奮，是邁向實用設備的決定性一步。因爲它建立了一個很有前景的構件，可以與現有的大規模光纖網絡相結合，從而最終實現未來的量子互聯網。