借鏡重力波探測技術，實現長距離量子網路

#借鏡重力波探測技術，實現長距離量子網路在今天的資訊時代，我們透過網路將世界各地的電腦連接在一起，在各個平台上與其他人建立連結，這種將大家的電腦連接起來的網路我們稱為「經典網路」。隨著量子電腦的興起，我們也需要透過類似的"網路"來連接分布在各地的量子電腦，這就是「量子網路」（Quantum network）。量子網路的建立將使得量子計算資源得以共享，推動科學研究和技術創新。目前，光纖是主流的量子資訊傳輸媒介，然而，其高損耗率限制資訊的傳送距離，因此學界一直在研究改進光纖的材料和量子中繼器，降低衰減率以延長傳輸距離。今天，芝加哥大學等大學的研究團隊，受 LIGO 重力波探測器的啟發，提出了新的方法，利用真空管與透鏡取代光纖，大幅降低衰減率，實現幾千公里的量子資訊傳輸，對未來長距離量子資訊傳輸可能有極大的幫助，研究成果發表在[《Physical Review Letters》](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.020801)。 ## 經典網路與量子網路的差異 ### 經典網路當你瀏覽 EntangleTech 網站時，是藉著網路線（光纖或銅線）將 EntangleTech 伺服器上的資料傳遞到你的電腦或手機。這網路線利用光訊號的「暗」與「亮」或是銅線的「低電壓」與「高電壓」傳遞 0 與 1。然而，在長距離傳輸中，訊號會隨距離衰減，因此需要在中間使用中繼器，中繼器會讀取訊號後將訊號放大並沿著線路繼續傳遞下去，確保資料在傳遞時不會因為耗損而失去訊號，或出錯。 ### 量子網路量子網路通常使用光纖傳遞量子資訊，但不同於經典網路的光纖是傳遞一團光子，量子網路的光纖是傳遞單個光子。如同經典網路，訊息在傳遞過程中會隨時遞減，然而量子計算裡有著[不可複製原理](https://en.wikipedia.org/wiki/No-cloning_theorem)，使得量子網路無法像經典網路在中間放個放大器（或中繼器）就能解決，僅能用量子版中繼器 quantum repeater 透過糾纏的方式將訊息傳遞到更遠的地方。然而，光纖的耗損非常大，限制量子資訊能傳遞的距離，因此學界長年在光纖的材料與佈局、quantum repeater 與單光子源等方向上下功夫。而芝加哥大學的研究團隊發現問題的根源出現在光纖上，因此思索如何替代光纖，並從重力波探測實驗室 [LIGO](https://www.ligo.caltech.edu/) 上取得靈感。 ## Vacuum Beam Guide (VBG) 研究團隊提出一種成為 vacuum Beam Guide（VBG）的新方法，利用真空管道與透鏡來替代光纖。VBG 有一個真空管，光子在管中傳遞量子資訊。由於光在行進過程中會發散，因此需要在適當距離擺設透鏡，將發散的光聚焦，透過這樣的方式將左邊 A 端量子電腦要傳送的資訊，透過光子傳遞到右方 B 量子電腦（下面會說明那其實不是量子電腦）。

VBG 的示意圖

量子訊息在 VBG 中傳遞也會隨著距離逐漸耗損，使得資訊變得無意義或是變成錯誤資訊，因此團隊要探究損耗的原因以及如何降低耗損。VBG 的傳輸損耗主要是由以下三個貢獻： \begin{split} \alpha_{total}=\alpha_{lens}+\alpha_{gas}+\alpha_{align} \end{split} 分別為透鏡材質導致的損耗率（attenuation rate） $\alpha_{lens}$、管中殘留空氣導致的損耗 $\alpha_{gas}$（畢竟不可能做到完全真空），以及透鏡擺放位置誤差導致的損耗 $\alpha_{align}$。接著團隊針對每一項 $\alpha$ 做實驗，以找到損耗最低與符合成本的實驗設定，如下圖所示。

透鏡大小（a）、殘留空氣多寡（b）與透鏡擺放位置誤差（c）對傳輸損耗的影響

+ 圖 a 顯示不同大小的透鏡與 $\alpha$ 的關係。橫軸是光的波長，縱軸是損耗率 $\alpha$（分貝/公里）。可以清楚看到 10 公分（藍色虛線）與 12 公分（橘色實現）的 $\alpha$ 最小 + 圖 b 顯示管中殘留空氣多少與 $\alpha$ 的關係。可見真空程度越好，$\alpha$ 越小 + 圖 c 說明透鏡位置誤差與 $\alpha$ 的關係。誤差越小，$\alpha$ 越小。綜合以上，選擇大小 10 公分的透鏡，真空程度 1 Pa（因為一般量子網路會用到的波長介在 1500~1650 nm，在這段區間，耗損率都低於 $10^{-4}$，這樣就夠用了），以及位置誤差 0.1 公分。在這樣的配置下，VBG 的總損耗（$\alpha_{total}$）在各個波長下都比普遍使用的光纖還低，最好的情況會低**三個數量級**。

VBG 的總損耗（藍色實線）遠低於普遍使用的光纖（紫色實線）

下圖顯示在單向傳輸（a）與雙向傳輸（b），量子資訊在不同透鏡位置誤差下，能傳送多少量子資訊與距離之間的關係。可以明顯看到位置誤差 0.1 毫米與完全零誤差的效果近乎相同，我們也能看到，VBG 能有效將 $10^13$ qubits/sec 這樣的資訊量傳送超過 1,200 公里的距離，

單向傳輸（a）與雙向傳輸（b）的情況下，不同透鏡擺放位置誤差對 quantum channel capacity 的影響

以上實驗成果說明 VBG 適合做遠距離通訊，不過 VBG 不像光纖可以彎折或轉彎，因此在未來量子網路的佈局上，VBG 適合做量子資訊中心對量子資訊中心的通訊（如下圖藍色部分），到了資訊中心後再透過光纖（橘色線）將資訊傳到彼方的量子電腦（黃色的圖標）

如 VBG 在未來發揚光大，那未來量子網路的佈局會像這樣。藍色圖標示量子資訊中心，橘色圓圈是區域量子資訊中心，黃色圖標是量子電腦，藍色線是 VBG，橘色線是光纖

## VBG 技術對未來量子網路的發展 VBG 能夠在超過 1000 公里的距離上實現低損耗量子通信，這為建立區域甚至全球規模的量子網路奠定了基礎。除了解決了距離問題外，VBG 可以實現每秒 $10^13$ 個量子位元的傳輸率，遠超現有技術。另外，VBG 的低損耗特性意味著在長距離通信中可能不需要複雜的量子中繼器，簡化了網路架構。高效的量子網路對國家安全和密碼學有重要影響，它可能成為未來量子互聯網的關鍵，推動量子技術在通信、計算和傳感等領域的革命性發展。

此文章僅作初步導讀，有更多內容在本文中沒有詳細提到，歡迎參看原論文

## 延伸閱讀 - [Huang, Y., Salces--Carcoba, F., Adhikari, R. X., Safavi-Naeini, A. H., & Jiang, L. *Phys. Rev. Lett.* **2024** 133 (2), 020801](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.020801) - [量子網路與經典網路差異](https://www.youtube.com/watch?v=3_oqkFO4f-A) - [Quantum repeater](https://www.youtube.com/watch?v=mr-kAG6KwMA)

歐家妤
LinkedIn

歐家妤是2024年 EntangleTech 技術組暑期實習生，正值人生方向探索階段，對世界充滿好奇，偶然邂逅量子力學，被如同科幻小說的世界深深吸引，決定探索這個神奇的領域。

林昱誠
LinkedIn

林昱誠是 EntangleTech 技術長，同時也是一名藥師，研究所期間致力於藥物化學研究。2023 年 IBM 評選為臺灣第七個 Qiskit advocate，也是臺灣唯一一個非理工出身的 Qiskit advocate，致力於推廣量子計算應用於藥學與醫學領域。