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安达核桃研究人员展示了量子互联网缺失的一环

物理学 2021-12-01 23:59:13

哈佛大学约翰·阿

保尔森工程和应用科学学院 米哈伊尔·卢金、乔治·瓦瑟尔·莱韦特物理学教授(未图示)和GSAS的学生大卫·列奥尼(左)和米希尔·巴斯卡尔是哈佛大学的研究人员,他们为LISE内部的超安全量子互联网建立了缺失的一环

荣誉:克里斯·斯尼贝/哈佛员工摄影师 量子互联网可以用来发送不可破解的信息,提高全球定位系统的精度,并实现基于云的量子计算

二十多年来,创建这样一个量子网络的梦想在很大程度上仍然遥不可及,因为很难无损耗地远距离发送量子信号

现在,哈佛和麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法,用一个原型量子节点来校正信号丢失,这个节点可以捕捉、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,也是长距离量子网络发展的重要一步

“这个演示是一个概念上的突破,可以扩展最大可能的量子网络范围,并有可能以任何现有技术都无法实现的方式实现许多新的应用,”乔治·瓦瑟尔·莱韦特物理学教授、哈佛量子倡议联合主任米哈伊尔·卢金说

“这是我们量子科学和工程界二十多年来一直追求的目标的实现

" 这项研究发表在《自然》杂志上

每一种通信技术——从第一台电报到今天的光纤互联网——都必须解决信号在远距离传输时退化和丢失的问题

第一批中继器接收和放大信号以校正这种损失,在19世纪中期被开发出来放大衰落的有线电报信号

200年后,中继器成为我们远程通信基础设施的一个组成部分

在一个经典的网络中,如果纽约的爱丽丝想给加利福尼亚的鲍勃发送一条信息,这条信息差不多是以直线从一个海岸传到另一个海岸

在这个过程中,信号通过中继器,在那里被读取、放大和纠正错误

整个过程在任何时候都容易受到攻击

然而,如果爱丽丝想发送量子信息,过程就不同了

量子网络使用光的量子粒子——单个光子——来远距离传送光的量子状态

这些网络有一个传统系统没有的技巧:纠缠

纠缠——爱因斯坦称之为“幽灵般的远距离行为”——允许信息比特在任何距离上完美关联

因为量子系统不能在不改变的情况下被观察到,所以爱丽丝可以利用纠缠向鲍勃传递信息,而不用担心窃听者

这个概念是量子密码术等应用的基础——量子物理定律保证了安全性

然而,长距离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

看不懂信号怎么放大和校正?这个看似不可能的任务的解决方案包括一个所谓的量子中继器

与通过现有网络放大信号的经典中继器不同,量子中继器创建了一个由纠缠粒子组成的网络,通过该网络可以传输信息

本质上,量子中继器是一种小型、专用的量子计算机

在这种网络的每个阶段,量子中继器必须能够捕捉和处理量子信息的量子位,以纠正错误,并将它们存储足够长的时间,以便网络的其余部分做好准备

到目前为止,这是不可能的,原因有二:首先,单个光子很难捕捉到

其次,众所周知,量子信息是脆弱的,这使得长期处理和存储变得非常具有挑战性

卢金的实验室,与哈佛大学电气工程教授马高·隆卡合作

鲍尔森工程和应用科学学院(SEAS), 洪坤公园,小马克海曼

哈佛大学文理学院的化学教授和麻省理工学院的电子工程和计算机科学副教授德克·恩格隆德一直致力于开发一种能够很好地完成这两项任务的系统——钻石中的硅空位颜色中心

这些中心是钻石原子结构中的微小缺陷,可以吸收和辐射光线,使钻石呈现明亮的颜色

“在过去的几年里,我们的实验室一直致力于理解和控制单个硅空位色心,特别是如何将它们用作单个光子的量子存储器件,”卢金集团的研究生米希尔·巴斯卡尔说

研究人员将一个单独的颜色中心整合到一个纳米制造的钻石空腔中,该空腔限制了携带信息的光子,并迫使它们与单个颜色中心相互作用

然后,他们将该装置放入温度接近绝对零度的稀释冰箱中,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地捕获和捕获

这种装置可以储存几毫秒的量子信息——长到足以将信息传输数千公里

嵌入空腔周围的电极用来传递控制信号,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巴特·马歇尔斯说:“这种装置结合了量子中继器最重要的三个要素——长记忆、有效捕捉光子信息的能力和本地处理信息的方法。”

“这些挑战中的每一项都已得到单独解决,但没有一种设备能够将所有三项结合起来

" “目前,我们正致力于通过在真实的城市光纤链路中部署我们的量子存储器来扩展这项研究,”卢金团队的博士后候选人拉尔夫·里丁格说

“我们计划创建纠缠量子存储器的大型网络,并探索量子互联网的首批应用

" “这是第一次系统级演示,结合了纳米制造、光子学和量子控制的主要进展,展示了使用量子中继器节点传递信息的明显量子优势

我们期待着利用这些技术开始探索新的、独特的应用

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