量子互联网能迈出这一步,靠的竟然是有缺陷的钻石?

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近日,美国哈佛大学的物理学家揭示了一种基于「有缺陷」钻石设计的新型量子存储器,可以大幅扩展量子加密系统的范围,使得在更长距离上实现量子通信成为可能。

这正是解决量子互联网无法实现最重要的一步。

量子互联网现状

量子互联网(英语:quantum network),是指在多个通信节点间,利用量子密钥分发进行安全通信的网络。

各节点间产生的量子密钥可以对传统的语音、图像以及数字多媒体等通信数据进行加密和解密。由于量子通信线路无法通过挂接旁路窃听或拦截窃听,只要被窃听就会让量子态发生变化从而改变通信内容被侦知,从而比当前的互联网通信模式更为安全可靠。

但目前我们还处于一场量子「大发展」的初期阶段,研究人员正尝试利用奇特的数学系统来控制亚原子粒子,进一步增强计算和通信能力。

对量子科学家来说,这个时代的核心目标之一便是在更大尺度上建立传输量子信息的网络,这将推动密码学、传感技术甚至分布式量子计算的发展。不过,目前这些都还是理论上的设想,如果不能扩展量子信息的传播距离,那这样的网络就不可能真正存在。

“传统的中继器会测量信号并进行放大,”哈佛大学物理学研究生 Mihir Bhaskar 说,“这就是所有信息传播到世界各地的方式。在构建量子网络时,我们也在尝试做类似的事情。”

今天介绍的这项新研究使量子通信领域距离量子中继器的发明更近了一步。

量子互联网最大的挑战:迷路的光子

今天,我们的网络发送信息编码为比特。但是某些自然系统,例如光子(光的粒子)或绕原子运行的电子,可以在其属性中存储更丰富的信息。

更重要的是,这些系统可能会纠缠在一起,以至于在远处分开的点处重复进行的测量比规则概率所允许的相关性更高。量子信息科学家认为,他们有一天可以使用具有这些属性的网络来发送不可入侵的消息,提高传感器的功能或执行尚未梦想的任务。

而所有这一切的核心挑战之一是长距离发送量子信息有多么困难。这些信息在传输过程中会被编码成单个光子,而在数公里长的光缆中,光子很可能会丢失。任何希望将节点连接到距离城镇较远的网络都将需要中继器来放大来自A点的信号并将其发送到B点。

但是,与常规中继器不同,这是一个附加的挑战,不可能重新创建精确的信号。量子态的副本,因为测量量子态会破坏它。

团队成员 Bart Machielse 解释说:“从本质上讲,我们现在没有量子互联网的原因就是光子的迷失:光子从纤维中散发出来然后被吸收,随着链接长度的增加,通信的传播效率变得越来越重要。” 将多个光子合并到每个脉冲中将消除绝对的安全性,因为这样可以测量一个光子而不会干扰其他光子。

任何网络,如果想要使连接节点之间的距离大于一个城镇的范围,就需要中继器来放大信号。然而,对量子信息网络来说,这是一个相当大的挑战。

与常规中继器不同,我们不可能精确地复制一个量子态,因为对量子态的测量本身就会将其破坏。

用「有残缺」的钻石强化量子记忆

为了解决这一难题,物理学家创建了一个基于钻石的量子存储器,该存储器可以容纳 10 个量子比特,并且可以存储 75 秒钟的信息。

该系统在稀释冰箱内几乎保持在绝对开尔文零的状态,由具有「空隙」的钻石组成,该钻石通过用单个硅原子替换两个碳原子而产生「空隙」,从而形成一个区域,该区域可以暂时存储由碳原子馈入的量子态。

通过这个新型的量子存储器,可以额外产生另外九个量子位,并允许多达七个量子位被「纠缠」。纠缠是大多数量子位应用(包括量子计算)中至关重要的一步。以前,在类似的设备中最多只能纠缠三个量子比特。

在同步并纠缠了足够多的这些光子后,中央节点会生成一个在两者之间关联的安全密钥派对,这仅对两个信息有意义。然后,他们就可以使用此密钥来加密和解密它们之间的消息。

Bhaskar 解释说,这不是直接将量子信息从点 A 传递到点 B 的中继器。但这是最终到达这一点的关键要素,它是作为光存储的量子信息和中间节点之间的中间接口。

他们正在努力证明可以将消息从 A 点发送到节点,然后再发送到 B 点,或者甚至通过在两个节点之间放置更多的菱形单元来扩大覆盖范围。

在使该设备成为长距离量子通信的一部分之前,还有许多其他必要的改进。它需要在两个真正独立的团体之间实现,而不仅仅是实验室中的工作站。此外,它目前所使用的波长不同于当今最适合在光缆上使用的波长,并且它需要一种将信号转换为这些波长的方法。

业界怎么看?

尽管如此,其他未参与研究的研究人员对这项工作的技术成就依然表示期待。

卡尔加里大学量子科学与技术研究所所长巴里·桑德斯(Barry Sanders)说这是“令人振奋的原理证明”,不仅因为它展示了量子记忆的方式,而且还进行了测量以证实光子之间的纠缠。但是,他说,将其扩展为更实际的用途还有很长的路要走。

西北大学光子通信与计算中心主任(未参与研究)的另一位研究者 Prem Kumar 认为这是一项值得注意的工作,也是至关重要的一步。但这只是众多至关重要的步骤中的其中之一,只有全部实现了最终才得以成功。但是他强调,任何成熟的量子网络都还不可能实现。

结语

世界各地的科学家都在研究最终量子互联网的各个方面。研究人员已经在芝加哥和波士顿地区设计了光纤线路,以便在更短的距离内进行更多这样的实验。

由中国科学技术大学的潘建伟领导的中国量子努力已设法将实验室中超过 50 公里的绕线中存储的量子态纠缠在一起,并利用 Micius 卫星作为中介将来自世界各地实验室的光子纠缠在一起。

但是,这些仅仅是更大难题中的各个部分,必须将它们整合在一起,并必须解决其他问题,例如换能器等。

不过这终究是一个令人兴奋的进步,但是正如 Kumar 告诉 Gizmodo 所说的,它距离未来的模糊量子互联网只有几步远了。

资料参考来源:

GIZMOD:《Scientists Save Quantum States in a Diamond, a Tiny Step
Toward a Quantum Internet》
https://gizmodo.com/scientist...

Nature:《A diamond’s quantum memory sets a glittering record》
https://www.nature.com/articl...

Physicsworld:《Diamond defects could boost the range of quantum
cryptography》
https://physicsworld.com/a/di...

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