量子远距传输重大突破:NASA首次用城市光纤网络实现

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10-22 09:20 中科院物理所 (cas-iop) 学术

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研究人员近日实现了量子远距传输在实验室之外达到的最高速度。他们利用一套实际的3.7英里(约合6公里)之外城市网络,把一个光子的量子态传输到了。图为用来储存相互纠缠的光子的晶体。

量子远距传输是通过"量子纠缠"现象实现的。量子纠缠是指,两个粒子无论相隔多远,都与彼此存在紧密相连的关系。某种东西只要对其中一个粒子造成了影响,就势必也会影响到另一个粒子。

据国外媒体报道,研究人员近日实现了量子远距传输在实验室之外达到的最高速度。他们利用一套实际的城市网络,把一个光子的量子态传输到了3.7英里(约合6公里)之外。该实验采用了加拿大卡尔加里市地下铺设的光缆。研究人员终于把测试范围延伸到了真实世界之中,标志着我们朝实现量子网络的终极目标又迈进了一大步。

如果我们能掌握量子远距传输技术,也许有朝一日便能实现超级安全的信息加密技术,信息发送方在把信息传输给接收方的过程中,没有任何窃听者能破解这些信息。此次研究由NASA的喷气推进实验室、卡尔加里大学、以及美国国家标准技术研究所共同开展。

在此次研究中,研究人员采用了"暗缆"(即尚未使用过的光缆),以及由喷气推进实验室和国家标准技术研究所研发的光子传感器,对实验中出现的情况做出准确判断。

而他们也成功开创了新记录:在真正的城市基础设施中,把量子态的光子传输到了6公里之外。此前虽然也达到过更长的距离,但都是在实验室中进行的。

"要在实验室之外的环境中演示量子效应(如量子远距传输等),我们需要面临一系列全新的挑战。"来自喷气推进实验室的共同作者之一、弗朗西斯科·马西里(Francesco Marsili)指出,"此次实验说明了这些挑战可以通过怎样的方式来解决,因此在实现量子网络的征途上,该实验具有里程碑式的意义。"

"量子通讯利用了量子力学中的一些独特性质,如用它来为信息加密、或者建立量子计算机网络等等。"量子远距传输是通过"量子纠缠"现象实现的。量子纠缠是指,两个粒子无论相隔多远,都与彼此存在紧密相连的关系。某种东西只要对其中一个粒子造成了影响,就势必也会影响到另一个粒子。

假设一个名叫"光子1号"的粒子与"光子2号"之间存在量子纠缠关系,即使把光子2号传输到很远之外的地方,它们之间的相互联结关系也依然存在。因此,如果光子2号在远处碰上了光子3号,并和它产生了相互作用的话,无论光子3号对光子2号造成了什么影响,都会同样影响到光子1号。

研究人员指出,这是一种"无形的转移",因为光子1号从未与光子3号产生直接的联系。我们可以利用这一概念,在两人之间进行安全的信息传递。但这些都属于量子物理的研究范畴,无论是粒子本身、还是粒子产生的效应,都极其细小微弱,难以对其展开研究。不过,在开展这些实验时,科学家采用了敏感度极高的光子传感器,大大提高了探测结果的精确程度。

"喷气推进实验室和国家标准技术研究所的研究人员们对超导探测器的研发做出了卓越贡献,让我们以近乎完美的效率对通信波段上的单个光子进行检测,同时噪音几乎为零。"卡尔加里大学量子科学技术研究所的丹尼尔·奥布拉克(Daniel Oblak)表示,"之前的探测器是做不到这一点的,因此,假如没有喷气推进实验室研发的探测器,我们根本无法在现有的光纤网络中开展这样的实验。"

量子远距传输技术可以用来建立高度安全的通讯系统,对数据信号进行保护。在今后的研究中,研究人员还将加入中继器,进一步延长相互纠缠的光子传输的距离。他们指出,如果使用了中继器,再加上"超敏光子探测器"的帮助,他们甚至可以把相互纠缠的光子传输到整个国家的另一端。最终,在进行太空通讯时,我们不用中继器便可实现远距传输,用激光把光子投射到太空中,从地球上实现量子态的远距传输。

  "利用先进的超导探测器,我们便能利用单个光子,在太空与地球之间高效地传递传统信息或量子信息了。"喷气推进实验室下属微型设备实验室的马特·肖(Matt Shaw)指出,"我们还计划采用更加先进的探测器,实现与深空之间的光纤通信、以及与国际空间站之间的量子远距传输。"


来源:新浪科技



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