Quantum Communication领域的研究人员最近迈出了巨大的进步,让我们更接近一个完美的沟通方法。

多年来,研究人员努力寻找能够放大量子信号的方法,存储大量量子数据,并允许在量子网络中有两个以上的节点。然而,在过去的两个月里,利用量子世界的奇异特性,特别是量子纠缠,已经找到了解决这三个问题的方法。

现在这些障碍已经被克服了,量子网络甚至是一个量子网络似乎是真正的可能性。

什么是量子纠缠?

爱因斯坦提到量子纠缠作为“距离的幽灵动作”,它是量子力学中最奇怪的现象之一。

简单地说,当两个粒子被允许在近距离相互作用时,它们会影响彼此的基本性质,如自旋、极化、动量等。当这些粒子分离时,一个粒子的变化会同时导致另一个相应的变化。无论距离有多远,这些粒子都以一种必须充分解释的方式紧密相连。

例如,当电子A与电子B相互作用时,一个将采用上旋转状态,而另一个将采用下旋转状态。无论距离如何,一个瞬间旋转的变化会瞬间影响另一个。实际上,研究人员已经证明了这些纠缠粒子之间的距离超过1200公里。

量子通信如何工作?

使用纠缠原理,研究人员已经使用缠绕的光子来传输两个节点之间的信息,其中发件人将缠绕的光子的一半保持在其中,接收器保持另一半。通过操纵光子来实现通信,导致相应的光子中的瞬时变化。

更具体地说,量子网络的每个节点都由量子处理器组成,而量子处理器依赖于量子比特,而不是经典比特。量子位元可以以多种状态存在,称为叠加,允许它们立即执行多个计算,而传统比特仅限于0或1,则一次将它们限制为一个计算。当一个量子处理器改变其光子的状态时,在其他量子处理器中改变相应的缠结光子,从而传送必要的QUBITS。

其中一个好处是它创造了一个不可破坏的通信系统,因为任何窃听或拦截信息的尝试都会解开粒子。这将改变信息并使其立即显而易见的是发生了黑客尝试。

虽然目前的应用仍然有限,但它已成功地应用于量子密钥分发。它比传统的通信方法更快,因为缠绕的光子可以瞬间传输信息。

然而,纠缠却成为脱钩和无克隆定理的牺牲品。解耦是纠缠粒子由于与周围环境的相互作用而变得解纠缠的趋势,而无克隆定理则说明量子态不能被复制。

这使得长途通信困难,并且克服这一点,研究人员使用了量子中继器。其中一个或多个被放置在发件人和接收器之间,并且它们的目的是将光子存储在与发件人的光子一起缠结的光子以及与接收器的光子缠结的光子。通过执行纠缠交换贝尔态测量,发件人和接收器的光子可以缠绕在更长的距离上。

目前,即使是最基本的量子中继器也需要几个量子网络因为他们有许多问题,但研究人员最近开发了巧妙的方法来克服它们。

光子,按需

量子中继器的问题之一是它们无法处理大量的流量,如果要替换传统网络的量子网络,则需要解决这一点。在一个发表论文科学的进步12月14日,来自奥地利,瑞典和意大利的研究人员展示了它们可以在需要时创建已经纠缠的光子来使量子中继器更有效。

它们通过使用量子点来做这一点,这是通过电力兴奋地发射特定频率的半导体,以通过电力产生成对的缠结光子量子干涉。利用这种技术,量子中继器将具有缠绕的光子的准备好供应,以根据需要处理尽可能多的数据。

铯原子储存

Quantum Reberers的另一个主要问题是它们无法存储足够的信息,以使它们用于大型量子网络的可行性。也就是说,他们需要存储缠绕的光子的易碎量子状态,但之前的方法只能在非常紧密=受控环境中这样做,使得难以采用。但是,来自尼尔斯Bohr Institute的研究人员团队发表了一篇论文上个月,他解释了如何更简单地存储纠缠光子。

使用玻璃瓶铯蒸气和激光器,研究人员可以相对容易地存储和检索在室温下缠结的光子。在本文中,他们声称,由于不需要冷却,室温系统可靠且可扩展。

这也将纠缠光子的寿命提高到四分之一毫秒。虽然这听起来并不多,但也就是说大约每50公里就需要一个量子中继器,而以前的方法是每10公里需要一个量子中继器。

波长的彩虹

也许量子通信的最大障碍是它的事实是,它仅限于一次通信的两个节点。这是因为它非常难以创造和操纵两个以上的纠缠粒子。尽管一些研究表明,它是可能的,对于量子网络而言是不实用的。

然而,一组研究人员最近证明,通过将一个光子分裂成不同波长的光子,可以使它与其他光子纠缠在一起,因为一个光子既是一个光子,也是一个光子波和粒子。然后,每个波长用不同的光子缠结,允许一个节点一次与几个通信。

在本月早些时候发表的一篇论文中自然,研究人员将他们的工作描述为“一种完全连接的量子网络架构,其中单个纠缠光子源将量子态分配给许多用户,同时最大限度地减少每个用户所需的资源。”

量子网络和量子互联网将彻底改变通信方式。一旦它们被广泛开发和采用,人们不仅能够以比现在快数量级的速度进行通信,而且他们将不再需要担心安全问题。

直到最近,这种情况还被认为是遥远的未来——但大规模量子通信现在可能比我们想象的更早实现。

图片来源:DMITRIY RYBIN./shutterstock.com.

斯科特目前为联合国做研究和编辑工作。他对可持续能源、全球政治和加密货币最感兴趣。业余时间,他喜欢读书和户外活动。