美首無線量子通訊 21公里毋須光纖傳訊
原文刊於信報財經新聞「CEO AI⎹ EJ Tech——前沿新知」
傳統無線電波雜訊過高，無法保存脆弱的量子態，轉用可見光傳輸是方法之一。美國能源部轄下布魯克海文國家實驗室、紐約州立大學石溪分校（下稱石溪大學）聯合團隊，日前於紐約州長島成功建立長約21公里的自由空間光通訊（FSO）鏈路，讓攜帶量子資訊的光子毋須依賴實體光纖，即可在近地面大氣直接傳輸。
首先，研究人員把量子態光子，從直徑僅約5微米、不到人類頭髮十分之一的光纖核心導出，然後借鑑天文望遠鏡及調適光學技術，以瞄準和發射光束到接收端，再於該處將測量到的訊號精準耦合回細小光纖。團隊先後進行日間與夜間測試，確認可辨識鏈路上的量子訊號。
下階段測試48公里路徑
這條無線光學鏈路，從石溪大學校園一座量子瞭望塔射出，並由布魯克海文的量子燈塔接收。量子燈塔是一個尖端屋頂設施，配備透鏡、反射鏡及其他光學儀器，並已接入目前橫跨長島及紐約都會區8個節點的量子網絡。下一階段打算連上康乃狄克州的耶魯大學，屆時可以跨越長島海峽，傳送光子經過約48公里距離。
這項連接是美國首例，它利用紅外線波長傳輸量子訊息，與光纖網絡常用的電訊波長截然不同。布魯克海文國家實驗室主任希爾（John Hill）表示，「這項自由空間鏈路是一個關鍵里程碑，同時標誌我們朝分散式量子系統發展邁進一步。」
今次實驗所需的精確度極高，光束於貼近地面傳播時，其折射率會受周遭環境變化影響，出現漂移、擴散，甚至強弱閃爍，進而造成訊號衰減、資訊流失。研究人員必須持續校正望遠鏡指向及光束形狀，同時要壓低背景湍流雜訊，才能保留可供量子測量的訊號品質。
量子糾纏（Quantum Entanglement）是指兩個或多個粒子在互動後，形成一個共用的整體量子狀態。即使把它們分開很遠，甚至在宇宙的兩端，只要測量其中一個粒子的狀態，另一個粒子的狀態就會瞬間決定。愛因斯坦稱此為「幽靈般的超距作用」（Spooky Action at a Distance）。
透過「量子糾纏」狀態，即是測量一個光子，就能立即獲得其對應光子的資訊。這對於未來超安全通訊、先進量子感測，以及網絡化量子運算至關重要。
冀連接衞星 各地建量子網絡
過去世界各地不乏同類空氣傳輸實驗，奧地利維也納市區早於2005年有過約7.8公里的紀錄，中國青海更曾在2012年完成逾100公里的野外量子傳輸，但這次紐約測試不僅屬於距離較長的都會環境，而且順利接入既有的大型量子網絡，有望成為未來拓展量子運算應用範圍的技術基礎。
研究人員期望相關技術能夠加強量子電腦連接協同工作，藉此解決更多科學解題。此外，團隊亦在探索如何能讓量子資訊，直接穿透大氣層傳送到軌道衞星，並為偏遠農村地區提供安全量子通訊，從而將量子網絡從區域性轉為全球性網絡。
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