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量子互联网的缺失环节终于找到了?长距离传输量子信息将不再是问题!

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 Connor Feng • 2020-03-27 16:40:55 来源:前瞻网 E3748G0

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量子互联网可以用来发送不可破解的信息,提高GPS的准确性,并使云量子计算成为可能。但在20多年来,建立这样一个量子网络的梦想一直遥不可及,这在很大程度上是因为很难在不损失的前提下长距离发送量子信号。

而现在,哈佛大学和麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法来修正这种信号丢失的情况,他们使用一个量子节点原型来捕获、存储和纠缠量子信息。这项研究是通向实用量子互联网的缺失环节,也是远程量子网络发展的重要一步。

物理学教授、哈佛量子计划(Harvard quantum Initiative)联合主任米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)说:“这个演示是一个概念上的突破,它可以扩展量子网络的最大可能范围,并可能以任何现有技术都无法实现的方式去实现许多新的应用。这实现了我们量子科学和工程界20多年来一直追求的一个目标。”

这项研究日前发表在《自然》杂志上。

从最早的电报到现代的光纤网络,每一种通信技术都必须解决信号在远距离传输时出现的减弱和丢失问题。第一批弥补这种信号损失的中继器是在19世纪中期发展起来的,这种中继器会接收和放大减弱的电报信号,在200年后,中继器已经成为我们远程通信基础设施的一个重要组成部分。

在一个传统网络中,如果纽约的Alice想要向加利福尼亚的Bob发送一条消息,那么这条消息会在这两个海岸之间以一条大概直线传播。在这个过程中,多个中继器会对信号进行读取、放大和纠正错误,而这整个过程在任何时候都容易受到攻击。

然而,如果Alice想要发送一个量子信息的话,那这个过程就不同了。量子网络会利用光的量子粒子——单个光子——来远距离地传递光的量子态。这些网络有一个传统系统没有的技巧:量子纠缠。

爱因斯坦称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”,这种作用可以使信息位元在任何距离上完美地关联。因为量子系统一旦被观察到就会发生改变,所以Alice在使用量子纠缠来给Bob发送消息的时候完全不用担心被窃听。这一概念是量子技术的应用基础,比如量子密码——有量子物理定律来保证安全。

然而,长距离量子通信也会受到传统光子损耗的影响,这是实现大规模量子互联网的主要障碍之一。但是,保证量子通信极其安全的物理原理也使得现有的经典中继器无法修复量子信息的丢失。

如果你不能读取一个信号,那你怎么对它进行放大和校正呢?为了解决这个看似不可能完成的任务,解决方案需要涉及到一个所谓的量子中继器。传统的中继器通过现有的网络来放大信号,而量子中继器不同,它创建了一个由相互纠缠的粒子组成的网络,信息可以通过这个网络进行传输。

从本质上讲,量子中继器是一种有特定用途的小型量子计算机。为了纠正信号的错误,在量子网络的每个阶段,量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子元位,并将它们存储足够长的时间,等待网络的其余部分准备就绪。但到目前为止,这都是不可能实现的,原因有二:第一,单光子很难捕捉。第二,量子信息出了名的脆弱,这使得长时间的量子信息处理和存储非常具有挑战性。

卢金的实验室与哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)电机工程Tiantsai Lin教授Marko Loncar、哈佛大学文理学院化学教授Mark Hyman Jr. 、麻省理工学院电子工程与计算机科学副教授Dirk Englund进行了合作,一直致力于研究一个可以同时很好地执行这两项任务的系统——钻石中的硅空穴色心。

这些中心是钻石原子结构中的微小缺陷,它们可以吸收和辐射光线,从而产生钻石的绚丽色彩。

卢金研究小组的研究生米希尔·巴斯卡尔(Mihir Bhaskar)说:“在过去的几年里,我们的实验室一直致力于了解和控制单个硅空穴色心,特别是如何将它们用作单光子的量子存储设备。”

研究人员将单个色心集成到一个纳米级的钻石腔中,用来限制携带信息的光子,并迫使它们与单个色心相互作用。然后,他们将设备放置在一个温度接近绝对零度的稀释制冷机中,并通过光纤电缆将单个光子发送到制冷机中,结果,色心有效地捕获和限制了光子。

该设备可以将量子信息存储数毫秒的时间,这点时间足够信息传输数千公里。空穴周围嵌有用于传递控制信号的电极,以处理和保存存储在存储器中的信息。

纳米光学实验室的研究生Bart Machielse说:“这种设备结合了量子中继器的三个最重要的元素——长内存、从光子上有效捕获信息的能力,以及一种本地处理信息的方法。此前,有有设备可以单独解决每一个挑战,但还没有一个设备能同时解决这三个问题。”

鲁金集团的博士拉尔夫·里丁格(Ralf Riedinger)说:“目前,我们正在真实的城市光纤链路上部署我们的量子储存器来对这项研究进行扩展,我们计划建立一个庞大的量子纠缠存储器网络,并探索量子互联网的首批应用。”

“这是第一个结合了纳米制造、光子学和量子控制重大突破的系统级演示,显示出使用量子中继节点通信信息的明显量子优势。我们期待着开始探索使用这些技术的独特新应用。”

原文:https://phys.org/news/2020-03-link-quantum-internet.html

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