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研究人员证明了量子互联网的缺失环节

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失地发送量子信号。

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。

George Vasmer Leverett物理学教授兼联合研究专家Mikhail Lukin表示:“该演示是一项概念性突破,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。”哈佛量子计划主任。“这是实现我们的量子科学和工程界超过二十年的目标的实现。”

这项研究发表在《自然》上。

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。开发了第一批中继器,用于接收和放大信号以纠正这种损耗,它们的开发是为了放大1800年代中期的衰落有线电报信号。200年后,中继器已成为我们远程通信基础设施不可或缺的一部分。

在经典网络中,如果纽约的爱丽丝想向加利福尼亚的鲍勃发送一条消息,则该消息或多或少地沿直线传播。在此过程中,信号通过中继器,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,如果爱丽丝想发送量子消息,则过程有所不同。量子网络使用光的量子粒子(单个光子)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技巧: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,因此爱丽丝可以使用纠缠向鲍勃发送消息,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了纠缠粒子网络,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。到目前为止,由于两个原因,这是不可能的:首先,单光子很难捕获。其次,众所周知,量子信息非常脆弱,因此长时间处理和存储非常具有挑战性。

Lukin的实验室与哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的电气工程教授Tiantsai Lin的Marko Loncar合作,

哈佛大学艺术与科学学院(FAS)的Mark Hyman Jr.教授,化学博士,以及麻省理工学院(MIT)的电机工程和计算机科学副教授Dirk Englund一直在努力利用该系统可以很好地完成这两项任务-钻石中的硅空位色心。

这些中心是钻石原子结构中的微小缺陷,可以吸收和辐射光,从而产生钻石的鲜艳色彩。

“在过去的几年中,我们的实验室一直在努力理解和控制各个硅空位色心,特别是在如何将其用作单光子的量子存储设备方面,” Lukin小组的研究生Mihir Bhaskar说。

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,并迫使它们与单个色心相互作用。然后,他们将设备放置在稀释冰箱中,该冰箱的温度接近绝对零值,然后将单个光子通过光纤电缆发送到冰箱中,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。

纳米级光学实验室的研究生Bart Machielse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,但是没有一个设备将这三个问题结合在一起。”

Lukin研究组的博士后候选人Ralf Riedinger说:“目前,我们正在通过将量子存储器部署在真实的城市光纤链路中来扩展这项研究。” “我们计划创建纠缠的量子存储器的大型网络,并探索量子互联网的首次应用。”

“这是首次系统级演示,结合了纳米制造,光子学和量子控制方面的重大进展,显示了在使用量子中继器节点进行信息通信方面的明显量子优势。我们期待着开始探索使用这些技术的独特新应用。”卢金说。

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