在鑽石中保存量子態:邁向量子互聯網的一小步
2020年04月02日08:34
用於存儲量子信息以擴展量子通信範圍的設備的掃瞄電子顯微圖
用於存儲量子信息以擴展量子通信範圍的設備的掃瞄電子顯微圖

  新浪科技訊 北京時間4月2日消息,在一項新研究中,科學家新創建的一個系統使得在更長距離上加強量子通信成為可能。這是邁向量子互聯網的一小步,但卻是至關重要的一步。

  目前我們還處於一場量子“大發展”的初期階段,研究人員正嚐試利用奇特的數學系統來控製亞原子粒子,從而增強計算和通信能力。對量子科學家來說,這個時代的核心目標之一便是在更大尺度上建立傳輸量子信息的網絡,這將推動密碼學、傳感技術甚至分佈式量子計算的發展。不過,目前這些都還是理論上的設想,如果沒有中繼器等組件來擴展量子信息的傳播距離,或者沒有能將量子信息轉換成可傳輸光子的傳感器,那這樣的網絡就不可能真正存在。這項新研究使量子通信領域距離量子中繼器的發明更近了一步。

  “傳統的中繼器會測量信號並進行放大,”哈佛大學物理學研究生Mihir Bhaskar說,“這就是所有信息傳播到世界各地的方式。在構建量子網絡時,我們也在嚐試做類似的事情,不同的是,我們是在與單光子通信。”

  如今,我們的網絡以比特的形式傳送信息,但某些自然系統,如光子或繞原子運行的電子,可以通過它們的屬性存儲更豐富的信息。更重要的是,這些系統可能會糾纏在一起,使得在相隔較遠的點上的重複測量結果具有比常規概率允許的更大相關性。量子信息科學家認為,或許在不久的將來,他們可以利用具備這些屬性的網絡來發送不可破解的信息,提高傳感器的功能,或者執行一些我們現在還想像不到的任務。

  所有這一切的核心挑戰之一便是如何解決遠距離發送量子信息的困難。這些信息被編碼成單個光子,而在數公里長的光纜中,光子很可能會丟失。任何網絡,如果想要使連接節點之間的距離大於一個城鎮的範圍,就需要中繼器來放大信號。然而,對量子信息網絡來說,這是一個相當大的挑戰。與常規中繼器不同,我們不可能精確地複製一個量子態,因為對量子態的測量本身就會將其破壞。

  哈佛大學和麻省理工學院的研究團隊開發了一個中心節點,可以有效地將信息傳播的距離縮短一半。該系統設置在一台接近絕對零度的稀釋製冷機內,包含一塊具有“空位”的鑽石。所謂的“空位”,其實是由用單個矽原子取代兩個碳原子時所產生一個區域,可以在稀釋製冷機內部的極度低溫中暫時儲存量子態的光子。

  該系統從A點接收傳入的光子,然後將光子的狀態(在不使其破壞的情況下)保存足夠長的時間,以接收一個來自B點的光子。在這些光子經過足夠的同步和糾纏之後,中心節點會生成一個密鑰,在兩點之間起到關聯作用。與此同時,該密鑰也只對A、B兩點具有意義。之後,雙方就可以使用這個密鑰對消息進行加密和解密。

  研究人員在近期的《自然》(Nature)雜誌上發表了他們的研究成果。Bhaskar解釋道,這還不是一個可以將量子信息直接從A點傳到B點的中繼器,而是最終達到這一目標的關鍵缺失要素,即作為量子信息(以光的形式存儲)與中間節點之間的中間接口。研究人員正在努力證明,他們可以把信息從A點發送到節點,然後再發送到B點,或者甚至可以通過在兩個節點之間放置更多的鑽石單元來擴展範圍。

  在這個系統成為長距離量子通信的一部分之前,研究人員還必須進行很多其他的改進。該系統需要在兩個真正獨立的機構之間發揮作用,而不僅僅是作為實驗室里的工作站。此外,該系統目前的工作波長與最適合光纖電纜使用的波長不同,它需要一種將信號轉換成這些波長的方法。

  一些沒有參與這項研究的研究者對這項工作的技術成就表示讚賞。加拿大卡爾加里大學量子科學與技術研究所的主任巴里·桑德斯(Barry Sanders)表示,這是“一個令人興奮的原理證明”,不僅因為它展示了量子記憶的方式,而且還通過測量證實了光子之間的糾纏。但是他也指出,要將其擴大到更實際的用途,還有很長的路要走。

  美國西北大學光子通信與計算中心主任普雷姆·庫馬爾(Prem Kumar)也沒有參與這項研究,他認為這是一項值得注意的工作,也是邁向最終發明量子中繼器的關鍵一步——儘管這也只是眾多必要的步驟之一。庫馬爾還強調,短時間內開發出成熟的量子網絡是不可能的。

  世界各地的科學家正在對各方面的問題進行研究,試圖開發出最終的量子互聯網。研究人員已經在芝加哥和波士頓地區設計了光纖線路,以便在更短的距離內進行更多類似的實驗。由中國科學技術大學的潘建偉領導的量子研究,已經成功地在實驗室的50公里量子態線圈中使保存的量子態發生糾纏;並以“墨子”號衛星為中介,使世界不同實驗室的光子發生糾纏。不過,這些都只是一個更大謎題的某一部分,最終必須整合在一起,並克服其他必須解決的問題。比如前面提到的轉換器,它必須能將存儲在量子處理器中的量子信息轉換成在光纖上傳播的光子。

  無論如何,這項新研究都是一個令人振奮的進步,但正如庫馬爾所說,未來的量子互聯網還處於朦朧之中,我們剛踏出馬拉松的最初幾步。(任天)

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