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Nature:新型量子中继器发布,人类迈向量子互联网时代

[摘要]量子互联网可以用来发送不可破解的信息,提高 GPS 系统的精度,并支持基于云的量子计算。
量子互联网可以用来发送不可破解的信息,提高 GPS 系统的精度,并支持基于云的量子计算。二十多年来,由于很难在没有损失的情况下通过远距离发送量子信号,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。

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,用一个可以捕获、存储和纠缠量子信息比特的原型量子节点来校正信号丢失。这项成果 3 月 23 日在线发表在《自然》杂志上。

这项研究填补了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。

哈佛量子计划联合主任、George Vasmer-Leverett 物理学教授 Mikhail Lukin 表示:“该成果是一项概念性的突破,可以扩展量子网络的最长范围,并有可能以任何现有技术都无法实现的方式实现许多新应用。这是我们的量子科学和工程界超过二十年的目标的实现。”

安全传输的量子技术

从第一台电报机到今天的光纤互联网,每一种通信技术都必须解决信号在远距离传输时的退化和丢失问题。

第一批中继器是在 19 世纪中期发展起来的,用来接收和放大信号以弥补这种损失。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 Alice 想向加利福尼亚的 Bob 发送一条消息,那么这个信息在一条直线上从一个海岸传递到另一个海岸。在此过程中,信号通过中继器,在中继器中被读取、放大并校正错误。整个过程中也十分容易受到攻击。

但是,如果 Alice 想发送量子消息,过程则有所不同。量子网络使用光的量子粒子 - 单个光子 - 来远距离传输光的量子态。这些网络具有经典系统所没有的技巧:纠缠。

纠缠被爱因斯坦称为 “远距离的恐怖行为”,可使信息的比特在任何距离上都完美关联。由于不改变就无法观察到量子系统,因此 Alice 可以使用纠缠向 Bob 发送消息,而不必担心窃听者。

这一概念是应用量子密码术的基础,量子物理学定律保证了安全性。

量子通讯存在难题

然而,远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,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,该如何放大和校正信号呢?这个看似不可能的难题,意味着需要一个所谓的量子中继器。

本质上来讲,量子中继器是一种小型的专用量子计算机。在这样一个网络的每个阶段,量子中继器必须能够捕获和处理量子信息的量子比特以纠正错误,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,由于两个方面的原因导致这是不可能的:

第一,单光子很难捕获。

第二,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。

硅空位色心弥补缺陷

哈佛大学 Lukin 实验室与麻省理工学院(MIT)电子研究实验室一直致力于利用一种能很好地完成这两项任务的系统——金刚石中的硅空位色心(silicon-vacancy color centers)。

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。

Lukin 研究组的研究生 Mihir Bhaskar 表示:“在过去的几年中,我们实验室一直在努力理解和控制各个硅空位色心,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 一个单独的色心整合到了纳米金刚石腔中,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,他们将该装置放置在温度接近绝对零度的冰箱中,并通过光纤电缆将单个光子送入冰箱,在那里它们被色心有效捕获和捕获。

结果表明,该装置可以存储毫秒级的量子信息足够长的时间,以将信息传输数千公里之外。

纳米级光学实验室的研究生 Bart Machielse 说:“该装置结合了量子中继器的三个最重要的元素,较长的存储时间、有效地从光子中捕获信息的能力,以及就地进行处理的方式。这些挑战中的每一个问题之前都得到了单独解决,但是没有一个设备将这三个问题结合在一起。”

研究人员表示,“当前,我们正通过在真实的城市光纤链路中部署量子存储器来扩展这项研究。我们计划创建纠缠大型量子存储器网络,并探索量子互联网的首次应用。”

Lukin 说:“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传输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。”




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