作者斯科特·琼斯，橡树岭国家实验室 这个任意频率仓量子比特状态的可视表示的球体上的每个点对应于一个唯一的量子状态，灰色部分表示测量结果
放大图显示了三个量子态的例子，它们被绘制在理想目标(蓝点)旁边
信用:约瑟夫·卢肯斯和亚当·马林/ORNL，美国
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能量的 如今，在科学领域，很少有术语比“量子”更普遍了
" 基于众所周知的复杂量子力学定律的技术有望使计算机比当今最快的超级计算机更强大，拥有不可破解的安全通信和前所未有的传感能力，这是进一步科学发现所必需的
但是，为了让这些技术脱颖而出，研究人员必须开发高效的量子通信网络，连接量子设备，同时保持用于传输信息的粒子的微妙状态
能源部橡树岭国家实验室的一组研究人员与普渡大学的同事一起，通过利用光的频率或颜色，朝着这个目标迈出了重要的一步
这种能力有助于建立比我们今天拥有的经典网络更实用、更大规模、更强大、更安全的量子网络
具体来说，该团队正在利用光的特性和量子力学的原理来传输信息，使网络本身成为光子量子信息处理器
这种方法很有前途，原因有几个
首先，光子以光速传播，让信息尽可能快地从A点到B点
光子通常不会相互作用或与周围环境相互作用，确保信息在传输过程中不会被扰乱或损坏
“光确实是长距离量子通信唯一可行的选择，”项目负责人约瑟夫·卢肯斯说，他是ORNL的一名研究科学家，维格纳研究员和美国能源部早期职业奖获得者，曾在《物理评论快报》上详细报道了该团队的研究结果
该团队利用光产生频率仓量子位，即同时存在于两个不同频率的单个光子，首次展示了频率编码中完全任意的通信操作
虽然频率编码和纠缠出现在许多系统中，并且自然地与光纤兼容，但是使用这些现象来执行数据操作和处理操作传统上被证明是困难的
然而，这种操作对于量子通信中的基本网络功能是必需的，进而实现大量的量子技术也是必需的
利用在ORNL开发的一种被称为量子频率处理器的技术，研究人员展示了广泛应用的量子门，或执行量子通信协议所需的逻辑操作
在这些协议中，研究人员需要能够以用户定义的方式操纵光子，通常是响应对网络中其他地方的粒子进行的测量
经典计算机和通信技术中使用的传统运算，如“与”和“或”，分别对数字“0”和“1”进行运算，而量子门对“0”和“1”的同时叠加进行运算，在量子信息通过时保护量子信息，这是实现真正的量子网络所必需的现象
通过证明它们的配置可以将任何量子位状态转换成不同的量子位状态，该团队展示了实用的信息传递
卢肯斯说:“如果你能做任意操作，你就能做任何基本的量子通信协议，比如基于频率转换的路由。”
他们的系统是众多不同系统中的一个，但从结果来看是最有希望的
例如，该团队使用他们的定制配置，成功地展示了高达98%的保真度——一种准确性的定量度量
卢肯斯说，虽然频率绑定量子网络在历史上很难控制，但该团队的工具箱使它更容易控制
不仅如此，这是一个自然产生的系统，可以很好地转化为现有的光纤
事实上，该系统是利用相位调制器等传统电信元件设计的
这些因素使得这项技术更便宜，对希望应用它的行业更有吸引力
此外，这种多米诺效应同时推进了经典和量子通信，从而推进了团队的方法，并可能使大规模量子网络更接近现实
他们的下一个实验将涉及在光子集成电路上实现他们的系统
“有很多不可预见的应用，”卢肯斯说
“频率编码自然是由许多不同的系统产生的，它非常适合光纤，因此潜在的应用空间应该很广
"
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