物理學家找到拯救量子網路的神奇數字

美國西北大學（Northwestern University）的研究人員找到一種方法，即便量子鏈路天生不穩定，仍能讓量子網路維持運作。透過策略性地新增鏈路，他們證明只需比預期少得多的新連線，就能維持網路運作，為量子通訊提供了更高效的模型。

糾纏光子在量子計算和通訊方面有著巨大潛力，然而它們也帶來一個重大挑戰——一旦被使用，就會消失。在1月23日發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）的一項新研究中，西北大學的物理學家提出了一種新方法，能在不斷變化且難以預測的量子網路中維持通訊。研究顯示，透過策略性地重建失去的連線，網路最終能達到一個穩定（即便有所改變）的狀態。

研究人員表示，維持量子網路正常運作的關鍵在於新增適當數量的連線。新增太多連線會耗盡資源，使系統效率低下；而新增太少則會導致網路斷裂，無法滿足使用者需求。

西北大學的伊什特萬·科瓦奇（István Kovács）是該研究的資深作者，他指出，全球許多研究人員都在努力打造更大、更優秀的量子通訊網路。但量子網路一旦向使用者開放，就會迅速瓦解，就像過橋後把橋燒掉一樣。若不加以幹預，網路很快就會崩潰。為瞭解決這個問題，他們建立了一個簡單的使用者模型。在每次通訊事件後，在斷開的節點之間新增固定數量的「橋梁」，也就是鏈路。透過在每次通訊事件後新增足夠數量的鏈路，就能維持網路連通性。

科瓦奇是複雜系統方面的專家，也是西北大學溫伯格文理學院（Weinberg College of Arts and Sciences）物理與天文學助理教授。

量子網路利用量子糾纏運作，即兩個粒子不論相隔多遠都相互連線的現象。量子通訊專家、該研究的第一作者之一孟祥怡（音譯，Xiangi Meng）將糾纏形容為一種「神秘但有效的資源」。在進行研究時，孟祥怡是科瓦奇團隊的研究助理，如今是紐約仁斯利爾理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的物理學助理教授。

孟祥怡表示，量子糾纏是量子粒子之間一種神秘、超越時空的關聯，它能讓量子粒子相互「交流」，共同完成複雜任務，同時確保無人能竊聽它們的訊息。

然而，當兩臺電腦使用糾纏鏈路進行通訊時，參與通訊的鏈路就會消失。通訊行為本身會改變鏈路的量子狀態，使其無法再用於進一步通訊。

科瓦奇稱，在傳統通訊中，基礎設施有足夠能力處理大量訊息；但在量子網路中，每條鏈路只能傳送一條訊息，隨後就會失效。

為了更好地理解網路在不斷變化下的運作方式，科瓦奇和他的團隊建立了一個量子網路中使用者的簡化模型。首先，研究人員讓使用者隨機選擇通訊物件，接著找出這些使用者之間最短、最有效的通訊路徑，並移除該路徑上的所有鏈路。這就造成了一種「滲流」現象，導致網路隨著每次通訊事件逐漸崩潰。

在探究這個問題後，科瓦奇團隊尋求解決方案。透過建模，他們找到了每次通訊事件後需要新增的鏈路的精確數量。這個數字處於維持網路和使網路斷裂的臨界邊界。令人驚訝的是，團隊發現臨界數字恰好是使用者數量的平方根。例如，如果有100萬使用者，那麼每透過網路傳送1量子位元的訊息，就需要重新新增1000條鏈路。

科瓦奇說：「人們自然會認為，這個數字會隨著使用者數量線性增長，甚至是二次方增長，畢竟可能通訊的使用者對數眾多。但我們發現，臨界數字與使用者數量相比，實際上只是非常小的一部分。然而，如果新增的鏈路少於這個數字，網路就會崩潰，人們就無法通訊。」

科瓦奇設想，這些資訊可能有助於其他人設計出一個能容忍故障的最佳化、強健的量子網路。當其他鏈路消失時，新鏈路可以自動新增，從而打造出更具彈性的網路。

科瓦奇還提到，傳統網際網路並非從一開始就被設計得十分強健，它是由於技術限制和使用者行為自然形成的，並非精心設計的結果。但如今在量子網際網路方面，人們可以做得更好，可以精心設計以確保其充分發揮潛力。

參考文獻：Path Percolation in Quantum Communication Networks，作者Xiangyi Meng、Bingjie Hao、Balázs Ráth和István A. Kovács，發表於2025年1月23日的《物理評論快報》。DOI：10.1103/PhysRevLett.134.030803