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物理学家建立起量子互联网缺失的联系环节

·2020-03-24 18:44·电子发烧友
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(文章来源:量子认知)

量子互联网可以用来发送无法破解的消息,提高 GPS 的准确性,并支持基于云的量子计算。二十多年来,创建这样一个量子网络的梦想在很大程度上一直遥不可及,这是因为很难在远距离无损地发送量子信号。

现在,哈佛大学和麻省理工学院的研究人员找到了一种方法,可以利用原型量子节点来纠正信号丢失,该量子节点可以捕获、 存储 和纠缠量子信息。该研究是通向实用量子互联网的缺失环节,也是长距离量子网络发展的重要一步。研究人员表示:“该研究是一项概念性突破,可以扩展尽可能长的量子网络范围,并有可能以任何现有技术都无法实现的方式启用许多新应用。”该项研究成果发表在最近的《自然》杂志上。

物理学家表示,他们已经发现了实用量子互联网的“缺失环节”,因此,在长距离量子网络的发展方面迈出了一大步。答案是老式中继器的现代版本,该中继器可以通过校正或补偿信号损失来实现远距离通信。自从电报时代以来,我们一直在这样做。

从第一台电报机到当今的 光纤 互联网,每一种通信技术都必须解决这样一个事实,即信号在远距离传输时会衰减并丢失。1800年代中期从而开发出了中继器,用于接收和放大有线电报信号以纠正这种损耗。200年以来,中继器已成为远程通信基础设施不可或缺的一部分。

物理学家建立起量子互联网缺失的联系环节

在经典网络中,如果张三想向李四发送一条消息,则该消息信号或多或少地通过中继器,在其中读取、放大和纠正错误。整个过程在任何时候都容易受到攻击。但是,如果王五想发送量子消息,则过程有所不同。量子网络使用单个光子的量子粒子在长距离上传递光的量子态。这些网络具有经典系统所没有的一个特点:纠缠。

纠缠——爱因斯坦称之为“远距离的怪异动作”,允许信息的比特在任何距离上都可以完美关联。由于无法不改变就无法观察到量子系统,因此王五可以使用纠缠向李四发送消息,而不必担心窃听者。此概念是应用量子密码术的基础——量子物理学定律可保证安全性。

然而,长距离的量子通信也受到常规光子损耗的影响,这是实现大规模量子互联网的主要障碍之一。但是,使量子通信超安全的物理原理也使得不可能使用现有的经典中继器来修复信息丢失。如果看不到信号,如何放大和校正信号?解决这一看似不可能完成的任务的过程涉及所谓的量子中继器。与经典中继器不同,传统中继器通过现有网络放大信号,而量子中继器则创建纠缠粒子网络,可以通过该网络传输消息。

本质上,量子中继器是一种小型的专用 量子计算机 。在这样的网络的每个阶段,量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子位以纠正错误,并将其存储足够长的时间,以便网络的其余部分准备就绪。过去,由于两个原因,使其不可能:首先,单光子很难捕获。其次,众所周知,量子信息非常脆弱,长时间处理和存储非常具有挑战性。

科学家们一直在努力利用钻石中的硅空位色心系统可以很好地完成这两项任务。研究人员将一个单独的色心整合到了纳米加工的钻石腔中,从而限制了承载信息的光子,并迫使其与单个色心相互作用。然后,将设备放置在稀释冰箱中,该冰箱的温度接近绝对零值,然后通过光纤将单个光子发送到冰箱中,在那里它们被色心有效地捕获和捕获。

该设备可以存储几毫秒的量子信息——足够长的时间来将信息传输数千公里。嵌入空腔周围的电极用于传递控制信号,以处理和保存存储在 存储器 中的信息。研究人员说:“该设备结合了量子中继器的三个最重要的元素:较长的存储空间,有效地捕获光子中信息的能力以及在本地进行处理的方式。 “这些挑战中的每一个都得到了单独解决,但过去没有一个设备能将这三个问题结合在一起解决。”研究人员说:“目前,我们正在通过在真实的城市光纤链路中部署我们的量子存储器来扩展这项研究。”

(责任编辑:fqj)

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