研究人员证明了超安全量子互联网缺失的一环

时间:2020-03-30 21:09 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

研究人员证明了超安全量子互联网缺失的一环

与哈佛大学和麻省理工学院(MIT)一起建设不可撼动的量子互联网

量子互联网可以用来发送不可破解的信息,提高GPS的准确性,并使基于云的量子计算成为可能。20多年来,建立这样一个量子网络的梦想一直遥不可及,这在很大程度上是因为在长距离发送量子信号时很难不受损失。

这个演示是一个概念上的突破,它可以扩展量子网络的最大可能范围,并可能以任何现有技术都无法实现的方式使许多新应用成为可能。哈佛大学量子计划(Harvard Quantum Initiative)联合主任、物理学教授米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)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。

各种形式的通讯技术;从最早的电报到今天的光纤互联网。必须解决信号在远距离传输时衰减和丢失的问题。第一批接收和放大信号以弥补这种损失的中继器是在19世纪中期发展起来的,用来放大衰落的电报信号。200年后,中继器成为我们远程通信基础设施的一个重要组成部分。

在一个经典的网络中,如果纽约的Alice想要向加利福尼亚的Bob发送一条消息,那么这条消息就会以一条或多或少的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,在那里进行读取、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Alice想要发送一个量子信息,这个过程是不同的。量子网络使用光量子粒子;单光子本;远距离传输光的量子态。这些网络有一个经典系统没有的窍门:纠缠。

纠缠本;爱因斯坦所称的远距离幽灵行动;本;允许信息位在任何距离上完全相关。因为量子系统不能在不改变的情况下被观察到,所以爱丽丝可以使用纠缠来给鲍勃发信息而不用担心被窃听。这一概念是量子密码学等应用的基础。量子物理定律保证的安全性。

然而,长距离量子通信也受到传统光子损耗的影响,这是实现大规模量子互联网的主要障碍之一。但是,使量子通信极其安全的物理原理也使现有的经典中继器无法修复信息丢失。

如果你看不懂一个信号,你怎么放大和校正它呢?这个看似不可能完成的任务的解决方案涉及到一个所谓的量子中继器。传统的中继器通过现有的网络来放大信号,而量子中继器则不同,它创建了一个由相互纠缠的粒子组成的网络,通过这个网络可以传输信息。

从本质上讲,量子中继器是一种小型、专用的量子计算机。在这样一个网络的每个阶段,量子中继器必须能够捕获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,使网络的其余部分准备就绪。到目前为止,这是不可能的,原因有二:第一,单光子很难捕捉。其次,量子信息是出了名的脆弱,这使得长时间的处理和存储非常具有挑战性。

与哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)电机工程天赛林教授Marko Loncar合作,

洪坤公园、哈佛文理学院化学教授小马克·海曼,以及麻省理工学院电子工程与计算机科学副教授德克·英格兰德一直致力于开发一种系统,使之能很好地完成这两项任务。金刚石中的硅空位色心。

这些中心是钻石原子结构中的微小缺陷,它们可以吸收和辐射光线,从而产生钻石的绚丽色彩。

在过去的几年里,我们的实验室一直致力于了解和控制单个硅空位色心,特别是如何将它们用作单光子的量子存储设备。卢金集团的研究生米希尔·巴斯卡尔(Mihir Bhaskar)说。

研究人员将单个颜色中心集成到一个纳米级的钻石腔中,从而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,他们将设备放置在一个温度接近绝对零度的稀释冰箱中,并通过光纤电缆将单个光子发送到冰箱中,在那里光子被色心有效捕获并捕获。

该装置能以毫秒为单位存储量子信息。足够长,信息可以传送数千公里。嵌在腔体周围的电极被用来传递控制信号,以处理和保存存储在存储器中的信息。

这个装置结合了量子中继器的三个最重要的组成部分。长记忆,有效捕捉光子信息的能力,以及局部处理信息的方法;纳米尺度光学实验室的研究生巴特马基雅尔斯(Bart Machielse)说。每个挑战都被单独解决了,但是没有一个设备能同时解决这三个问题。

目前,我们正致力于将我们的量子存储器部署到真实的城市光纤链路中,以扩展这项研究。陆金研究所的博士后候选人拉尔夫·里丁格说。我们计划建立一个庞大的量子纠缠存储器网络,并探索量子互联网的首次应用。

这是第一个系统级的演示,结合了纳米制造、光子学和量子控制的重大进展,显示出使用量子中继节点通信信息的明显量子优势。我们期待着开始探索使用这些技术的新的、独特的应用。鲁金说。

这项研究由巴斯卡尔、里丁格、马基雅尔、戴维·莱沃尼、克里斯蒂安·阮、埃里克·克纳尔、帕克、英格伦、龙卡、丹尼斯·苏卡乔夫和卢金共同撰写。它得到了美国国家科学基金会、国防部、能源部、空军科研办公室和海军研究办公室的部分支持。




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