跨越空间的量子纠缠:无需测量即可实现的远程多粒子连接技术

发布日期:June 10, 2025, 4:02 a.m.
摘要:

在量子通信网络中,如何让相隔遥远的粒子瞬间形成纠缠态一直是科学家攻坚的难题。一项基于"不确定因果序"(indefinite causal order)的新方法,正以更简洁的路径突破传统技术的瓶颈。

量子网络的"高速公路"难题

量子纠缠如同粒子间无形的纽带,能让相隔甚远的粒子状态瞬间关联,这种特性是量子通信、分布式计算的核心资源。但要在不同网络节点间建立纠缠,传统方法依赖"纠缠交换"技术——就像需要通过中转站接力传递包裹,必须预先在两个节点间制备多对纠缠粒子,并进行复杂的联合测量(如贝尔态测量)。这种方案不仅需要消耗大量纠缠资源,其测量过程本身在光学系统中还存在概率性成功的限制。

颠覆性的操作逻辑

研究团队提出的新协议改变了游戏规则。其核心在于利用"不确定因果序"这一量子力学特性——简单来说,传统操作像按固定顺序按下开关A和B,而新方法允许两个操作以量子叠加的顺序执行。这种反直觉的操作方式,配合预先共享的一对最大纠缠态(maximally entangled state),仅需对单个量子比特进行操作,就能确定性地(即100%成功率)在多个远程节点间生成多粒子纠缠态。

类比于建筑工地,传统方法需要吊车反复搬运建材(纠缠资源)并精确拼接(测量),而新方法像使用可自主组装的智能材料,仅需一次触发就能自动形成稳定结构。

技术突破的双重优势

相比传统方案,该协议展现出两大显著优势:

  1. 资源节约:不再需要消耗多对纠缠粒子作为"燃料",仅需一对初始纠缠态即可启动整个过程

  2. 操作简化:规避了复杂的多粒子联合测量步骤,实验装置只需处理单量子比特操作,大幅降低技术门槛

研究团队还设计了对应的光学实现方案,通过光子偏振自由度编码量子信息。这种设计使得协议在现有量子光学实验平台上具备可行性,为未来量子互联网的建设提供了更实用的工具箱。

潜在影响与挑战

这项技术为构建大规模量子网络扫除了关键障碍:

  • 在量子密钥分发中,可建立更安全的跨城市加密链路

  • 为分布式量子计算提供稳定的远程纠缠资源

  • 推动量子传感网络向更高精度发展

不过,实际应用中仍需解决一些工程问题,如初始纠缠态的制备效率、操作过程中的噪声控制等。研究团队指出,随着量子存储器技术的进步,这些挑战有望被逐步攻克。