量子網路突破：工程師在商用網路上成功傳輸量子訊號，預示數位變革。

量子網際網路的黎明：從實驗室走向現實
量子科技正以前所未有的速度改變我們的世界，而今，一個開創性的里程碑已被達成。想像一個未來，電腦不再受限於古典物理法則，而是能利用量子力學的奇特特性來解決當今超級電腦也難以應付的複雜問題。這個願景正隨著「量子網際網路」的逐步實現而變得清晰。最近，美國賓州大學的工程師們在Verizon的商用光纖網路上，成功展示了量子訊號的傳輸，並且令人振奮的是，他們使用了與我們日常網際網路相同的標準協定（IP）。這不僅是技術上的巨大躍進，更是宣示著量子網路已從嚴謹的實驗室環境，邁向了實用化與規模化的康莊大道。這項突破性進展，如同1990年代古典網際網路剛萌芽時那般充滿無限可能，預示著一場劃時代的數位變革即將來臨。

薛丁格的貓：量子世界的不確定性與傳輸困境
在深入探討這項技術突破之前，我們必須理解量子網路所面臨的根本挑戰。量子力學的核心概念——量子糾纏（Quantum Entanglement），如愛因斯坦所稱的「鬼魅般的超距作用」，描述了兩個或多個粒子之間奇特的連結。一旦這些糾纏粒子中的一個狀態發生改變，另一個遠端的粒子也會瞬間同步變動，無論它們相隔多遠。然而，量子態極其脆弱，任何形式的「測量」或「觀測」都會導致其坍塌，失去其獨特的量子特性。著名的「薛丁格的貓」思想實驗便形象地說明了這種不確定性：在盒子打開之前，貓可能同時處於「生」與「死」的疊加態。

正如賓州大學的博士生兼論文共同作者Robert Broberg所指出：「傳統網路會測量數據以引導其到達最終目的地，但對於純粹的量子網路，你無法這麼做，因為測量粒子會破壞量子態。」

這便是量子網路擴展的最大障礙：如何在不破壞量子資訊的情況下，將其有效地在複雜網路中路由？這項挑戰要求我們重新思考網路協定與基礎設施的設計，尋找在「觀測」與「傳輸」之間取得平衡的巧妙之道。
Q-Chip的核心智慧：協調古典與量子的共存
為了克服量子態脆弱、不容測量的挑戰，賓州大學團隊研發出了一款名為「Q-Chip」（Quantum-Classical Hybrid Internet by Photonics）的微型晶片。這款晶片的核心功能，在於巧妙地協調了古典訊號（由普通光束組成）與量子粒子之間的傳輸。這就好比一列特殊的火車：古典訊號扮演著「火車頭」的角色，引導著承載量子資訊的「密封貨櫃」。

論文第一作者Yichi Zhang解釋道：「古典訊號會稍微超前於量子訊號傳輸。這使我們能夠測量古典訊號以進行路由，同時讓量子訊號保持完整無損。」

這意味著，網路的路由器和交換機可以依據古典訊號的「火車頭」資訊來決定路由路徑，而不需要「打開」或「測量」後方的量子「貨櫃」。由於古典訊號可以被測量，整個系統能夠沿用現今網際網路通用的IP協定。這種相容性是實現大規模擴展的關鍵，它允許量子資訊「說著」與古典網際網路相同的語言，大幅降低了在現有基礎設施上部署量子網路的難度。
克服現實世界的喧囂：雜訊校正與商用網路的適應
將量子技術從受控的實驗室環境帶入真實世界的商用基礎設施，會面臨諸多嚴峻挑戰。商業光纖網路不像實驗室那般「潔淨」，它必須承受來自四面八方的干擾：天氣引起的溫度變化、人類活動（如施工、交通）造成的振動，甚至是地質活動引發的震動。這些外部因素都會對光纖中的訊號造成雜訊，進而破壞脆弱的量子態。

為此，研究團隊開發了一種創新的錯誤校正方法。這個方法巧妙地利用了古典「火車頭」和量子「貨櫃」會受到相似干擾的特性。

如Liang Feng教授所說：「由於我們可以在不損壞量子訊號的情況下測量古典訊號，我們可以推斷出需要對量子訊號進行哪些校正，而無需實際測量它，從而保留了量子態。」

在實際測試中，這個系統能夠將傳輸保真度維持在97%以上，證明了它在真實世界環境下克服雜訊和不穩定性的能力。更重要的是，這款Q-chip採用矽基材料，並透過既有的成熟製程技術製造，這為其大規模量產和部署鋪平了道路，使其能夠輕易地連接到現有的光纖基礎設施，例如費城的城市光纖網絡，進而實現更廣泛的應用。
展望未來：從區域實驗到全球量子骨幹的無限可能
儘管賓州大學的這項研究為量子網際網路的發展點亮了一盞明燈，但要將其從都會區範圍擴展到全球尺度，仍存在一個重大的物理屏障：量子訊號目前無法在不破壞其糾纏特性的情況下進行放大。這與古典訊號可以透過光放大器進行增強以傳輸更遠距離的情況截然不同。雖然目前已有研究證明「量子金鑰」（一種用於超安全通訊的特殊代碼）可以在普通光纖上長距離傳輸，但這些系統通常利用弱相干光產生無法複製的隨機數，主要應用於安全通訊，與連結實際量子處理器以進行分布式運算所需的技術有所區別。

克服量子訊號放大問題，將需要新的物理器件和全新的技術範式。然而，賓州大學的這項研究無疑是邁向這個宏大願景的重要一步。它證明了一種晶片能夠在現有商業光纖上，透過網際網路式的封包路由、動態交換以及晶片上的錯誤緩解機制，傳輸量子訊號，且這些機制都能與當今網路所管理的協定相容。

正如Robert Broberg所言：「這感覺就像1990年代古典網際網路的早期，當時大學剛開始連接他們的網路。這開啟了無人能預測的轉變。量子網際網路也擁有同樣的潛力。」

想像一下，一個全球性的量子網路，將世界各地的量子電腦連接起來，共同解決科學、醫學和工程領域的重大難題。這項研究為我們描繪了一幅激動人心的未來圖景，一個由量子物理學驅動的全新資訊時代，正一步步從想像走入現實。這項研究成果發表於《科學》（Science）期刊，欲知詳情可至賓州大學工程與應用科學學院官網或搜尋該期刊文章。

Ref:

University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science. (2025,
September 26). The quantum internet just went live on Verizon’s network.
ScienceDaily. Retrieved September 26, 2025 from www.sciencedaily.com/releases/
2025/09/250925025409.htm

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Story Source:
Materials provided by University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science. Note: Content may be edited for style and length.