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量子物理-向量子互联网传送

时间:2018-05-15

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该图像显示用于存储纠缠光子的晶体,其行为就像它们是同一整体的一部分。科学家在量子隐形传送实验中使用这些晶体。

em卡尔加里的新实验在实际基础架构中测试了量子隐形传态,代表了该技术向前迈出的一大步。 / em

量子物理学似乎给了科学家超级大国一个领域。那些了解极端小或冷粒子世界的人可以用它们执行惊人的壮举 - 包括远距传物 - 似乎会扭曲现实。

这些专长背后的科学是复杂的,直到最近,在实验室环境之外并不存在。但是这种情况正在发生变化:研究人员已经开始在现实世界中实施量子隐形传态。能够这样做可能会彻底改变现代手机和互联网通信,从而导致高度安全的加密信息。

在美国宇航局喷气推进实验室(美国加利福尼亚州帕萨迪纳市)的工程师合着的Nature Photonics上发表的一篇论文详细介绍了首次在大都市光缆网络中进行量子隐形传态的实验。这种现象首次在实际的城市基础设施中长距离见证。在加拿大,卡尔加里大学的研究人员在卡尔加里市的“黑暗”(未使用的)电缆中传送了超过3.7英里(6公里)的光子的量子态。这是实际城域网中距离量子远距传输距离最远的新纪录。

尽管过去记录的距离较远,但在实验室环境中进行了这些测试,光子通过电缆线轴发射,以模拟远距离引起的信号损失。卡尔加里的这一系列最新实验测试了实际基础设施中的量子隐形传态,代表了该技术迈出的重要一步。

“展示实验室环境以外的量子效应,如远距离传输涉及到一系列全新的挑战。这个实验显示了如何克服这些挑战,因此它标志着未来量子互联网的一个重要里程碑,“JPL合作者之一Francesco Marsili说。 “量子通信解锁了量子力学的一些独特性质,例如,以最高安全性交换信息或将量子计算机连接在一起。”

用于实验的光子传感器由JPL的Microdevices实验室的Marsili和Matt Shaw以及科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所的同事开发。他们的专业知识对实验至关重要:量子网络是用光子完成的,并且需要世界上一些最敏感的传感器才能确切知道粒子发生了什么。

“由JPL和NIST研究人员率先推出的超导探测器平台使得可以以近乎完美的效率和几乎没有噪声的方式探测电信波长的单光子。这对于早期的探测器来说简直是不可能的,因此,如果没有JPL的探测器,使用现有光纤基础设施的实验(如我们的实验)几乎是不可能的,“卡尔加里大学量子科学与技术研究所的Daniel Oblak说。

使用量子物理更安全的电子邮件

缩小到一个光子的水平​​,物理开始通过奇怪的规则来玩。了解这些规则的科学家们可以“纠缠”两个粒子,使它们的属性相互关联。纠缠是一个令人难以置信的概念,其中具有不同特征或状态的粒子可以跨空间结合在一起。这意味着影响一个粒子状态的任何东西都会影响另一个粒子,即使它们彼此相隔数英里。

这就是传送进来的地方。想象一下,你有两个纠缠的粒子 - 我们称之为Photon 1和Photon 2 - 并将Photon 2发送到远处。在那里,它与Photon 3相遇,并且两者相互作用。 Photon 3的状态可以转移到Photon 2,并自动“传送”到纠缠的双胞子Photon 1.尽管事实上光子1和3从不相互作用,但这种非实体转移发生。

该属性可用于安全地交换秘密消息。如果两个人共用一对纠缠在一起的光子,量子信息可以以非实体方式传输,使窃听者无法拦截,因此无法读取秘密消息。

传送意味着远离

Marsili表示,这个高度安全的通信系统正在多个领域进行测试,其中包括金融行业和NASA等希望保护其空间数据信号的机构。由Marsili,Shaw和他们的NIST同事开发的超导单光子探测器是这样做的关键工具,因为长距离发送光子不可避免地导致信号的“丢失”。即使在太空中使用激光,光线也会在距离上扩散,削弱传输信号的功率。

下一步是构建可以将光子状态从一个位置进一步传送到下一个位置的中继器。就像中继器用于远距离传送其他电信号一样,它们可以用来传送纠缠的光子。超敏感的光子探测器将允许中继器在全国发送纠缠光子。对于与空间有关的通信,甚至不需要中继器;光子最终可能使用激光射入太空,而光子状态可能会从地球传送出去。

卡尔加里实验中没有使用中继器,这主要是为了确定如何在实验室外进行量子隐形传态。研究人员使用该城市的黑色光纤 - 一根光缆,没有电子设备或网络设备流过它们。

“通过使用先进的超导探测器,我们可以使用单个光子将空间到地面的经典信息和量子信息进行有效通信,”Shaw说。 “我们正计划使用这些探测器的更高级版本来演示来自深空的光通信和来自国际空间站的量子隐形传态。”

该研究由艾伯塔创新科技期货公司资助;加拿大国家科学和工程研究委员会;和国防高级研究计划局。部分探测器研究是在JPL根据与NASA的合同进行的。加州理工学院在帕萨迪纳管理JPL为NASA。

出版物:Raju Valivarthi等人,“Quantum teleportation across a metropolitan fiber network”,Nature Photonics 10,676-680(2016); DOI:10.1038 / nphoton.2016.180

来源:喷气推进实验室Andrew Good

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