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城市量子态传输突破新纪录

2016-10-19

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  量子物理学正给科学家们一个广阔的研究空间。那些了解非常小或粒子的世界的人可以和他们一起研究出一些竟然的成果,包括弯曲现实世界的隐形传态技术。

  这些伟大发现背后的科学是复杂的,直到最近在实验室设置之外还不能够实现。但这是变化的:研究人员已经开始实施在现实世界中的量子隐形传态。能够这样做,可能会彻底改变现代电话和互联网通信,实现高度安全的、加密的消息传输。

  位于加利福尼亚帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的工程师发表的一篇论文中,详细介绍了第一个在城域光纤网络中进行量子隐形传态的实验。这是第一次,这种现象在实际的城市基础设施中已经出现了很长的距离。在加拿大,卡尔加里大学的研究人员使用“黑暗”(未使用的)卡尔加里下城区电缆传送一个光子的量子态超过3.7英里(6公里)。这是在一个实际的城域网内最长距离的量子隐形传态的一个新的记录。

  而更长的距离已经发生在过去,但那是在实验室环境中进行,其中的光子发射通过线轴电缆模拟长距离造成的信号损失。这一最新的一系列实验在卡尔加里测试的量子隐形传态在实际的基础设施,代表了技术的一大步。

  “展示量子效应,如隐形传态的实验室环境以外的涉及一个全新的挑战。本实验表明,这些挑战都是可以克服的,因此它标志着未来的量子互联网的一个重要里程碑,”FrancescoMarsili说,他是一个喷气推进实验室这篇论文的合著者。“量子通信开启量子力学的一些独特的性质,例如,最终安全或连接在一起的量子计算机交换信息。”

  对于实验中光子传感器是由马西里和喷气推进实验室的微器件实验室的MattShaw开发的,并与科罗拉多博尔德技术和标准的国家研究所的同事共同合作完成。他们的专业知识是实验的关键:量子网络是用光子,并需要一些世界上最敏感的传感器,以知道到底粒子发生了什么。

  “超导探测器平台,已率先由JPL和NIST的研究人员进行使用,使得它可以在电信波长以几乎完美效率进行单光子探测,几乎没有噪音。在早期的探测器类型中这是根本不可能的,所以像我们这样的实验,利用现有的光纤基础设施,如果没有喷气推进实验室的探测器这将会是不可能的,”卡尔加里大学量子科学与技术研究所的DanielOblak说。

  量子物理学的安全邮件

  缩小到一个光子的水平,物理中开始发挥出奇怪的规则。科学家了解这些规则可以“纠缠”两粒子,它们的性质是有联系的。纠缠是一个难以想象的概念,粒子具有不同的特征或状态,可以在空间中绑定在一起。这意味着无论会影响一个粒子的状态会影响另一个,即使他们位于彼此相隔数英里。

  这是隐形传态来源的地方。假设你有两粒子纠缠态,我们称之为光子1和光子2,后者被送到一个遥远的位置。在那里,它遇到了光子3,两个相互作用。光子3的状态可以转移到光子2,并自动“传送”到纠缠双光子1上。尽管在事实上,光子1和光子3并没有接触过,这中现象还是会无形的转移发生。

  此属性可用于安全地交换秘密消息。如果两人共享一个光子纠缠对量子信息可以在一个虚无缥缈的方式发送,使窃听者没有办法拦截,所以无法读取秘密信息。

  长距离的传输

  该系统在多个领域中的测试都呈现了具有高度的安全通信的特点,Marsili说,包括金融行业和一些机构如美国宇航局,这些机构都希望保护自己的空间数据信号。超导单光子探测器由Marsili、Shaw和他们的同事实现这一研究的主要工具,因为远距离传送光子,必然导致信号的“损耗”。即使使用激光,光也会在空间、长距离传输时削弱被传输信号的功率。

  下一步是建立中继器,可以进一步传送一个光子的状态从一个位置到下一个。正如在长距离的通信中其他信号的中继器一样,他们可以用来传送纠缠光子。超灵敏的光子探测器将允许中继器全国各地送纠缠光子。对于空间相关的通信,中继器甚至不是必要的;光子最终将可以使用激光器被发射进入太空,而光子态可从地球传送。

  中继器被用在卡尔加里的实验中,主要是为了建立量子隐形传态可以在实验室的研究人员使用城市的暗箱单光缆,而其中没有电子或网络设备使用。

  “通过使用先进的超导探测器,我们可以使用单个光子,有效地将经典和量子信息从空间通信传输到地面,”Shaw说。“我们计划是使用这些探测器的更先进的版本,用于进行从深空和从国际空间站传输的量子隐形传态的光通信的示范。”



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