量子通信领域的研究人员最近取得了巨大进展,让我们离完全安全的通信方式更近了一步。

多年来,研究人员努力寻找放大量子信号的方法,存储大量量子数据,并允许量子网络中的两个以上的节点。然而,在过去的两个月中,已经发现了使用量子世界的奇异属性,特别是量子纠缠的所有三个问题的解决方案。

现在这些障碍已经克服了,量子网络甚至是一个量子互联网看起来很有可能。

什么是量子纠缠?

爱因斯坦提到了量子纠缠这是量子力学中最奇怪的现象之一。

Put simply, when two particles are allowed to interact in close proximity, they influence each other’s basic properties, such as their spin, polarization, momentum, etc. When these particles are separated, a change to one particle results in a corresponding change to the other at the exact same time. No matter the distance, the particles are intimately connected in a way that has to be fully explained.

例如,当电子A和电子B相互作用时,一个会呈上自旋状态,而另一个则呈下自旋状态。无论距离有多远,一个物体的自转瞬间发生的任何变化都会影响另一个物体的自转。事实上,研究人员已经证明了这在缠结的颗粒之间,分开超过1200公里。

量子通信是如何工作的?

利用纠缠原理,研究人员利用纠缠光子在两个节点之间传输信息,发送端持有纠缠光子的一半,接收端持有另一半。通过对光子的操纵,通信成为可能,从而导致相应光子的瞬时变化。

更具体地,量子网络的每个节点由量子处理器组成,该量子处理器依赖于量子位,或Qubits,而不是经典比特。Qubits可以存在于多个状态中,称为叠加,允许它们一次执行多个计算,而传统的比特只被限制为0或1,限制它们一次只能执行一个计算。当一个量子处理器改变其光子的状态时,相应的纠缠光子也会在另一个量子处理器中改变,从而传递必要的量子位。

这样做的一个好处是,它创造了一个不可破解的通信系统,因为任何窃听或拦截信息的尝试都将解开粒子的纠缠。这将改变消息,并使它立即明显的黑客企图已经发生。

虽然当前应用程序仍然有限,但它已成功使用量子密钥分布。它也比传统的通信方法快得多,因为纠缠光子可以瞬间传输信息。

然而,纠缠落在去耦和无克隆定理上。去耦是由于与周围环境的互动而被缠结颗粒的倾向,而No Cloning定理表明量子状态不能复制。

这使得长距离通信变得困难,为了克服这一点,研究人员使用了量子中继器。一个或多个光子被放置在发送方和接收方之间,它们的目的是存储与发送方和接收方纠缠在一起的光子。通过与a进行纠缠交换贝尔国家测量在美国,发送方和接收方的光子可以在更长的距离上纠缠。

目前,甚至最基本需要几个量子中继器量子网络尽管研究人员最近开发出了一些巧妙的方法来克服这些问题,但他们仍然面临许多问题。

光子,按需

量子中继器的一个问题是它们不能处理大量的流量,如果量子网络要取代传统网络,这就需要解决。在一个论文发表在科学推进12月14日,来自奥地利、瑞典和意大利的研究人员证明,他们可以通过在需要时创造已经纠缠的光子来提高量子中继器的效率。

他们利用量子点来实现这一点。量子点是一种半导体,当被电流激发时,它会发出特定频率的光,从而产生纠缠的光子对量子干扰。有了这项技术,量子中继器将有足够的纠缠光子来处理所需的数据。

储存在铯原子中

量子中继器的另一个主要问题是,它们无法存储足够的信息,使其适用于大规模的量子网络。也就是说,它们需要存储纠缠光子的脆弱量子态,但以前的方法只能在非常严格控制的环境中这样做,因此很难使用。然而,一组来自尼尔斯玻尔研究所的研究人员发表了论文上个月解释他们如何更简单地存储纠缠的光子。

利用一个装有铯蒸汽和激光的玻璃罐,研究人员可以在室温下相对容易地存储和检索纠缠光子。在论文中,他们声称,由于不需要冷却,室温系统是可靠的和可扩展的。

这也改善了缠绕的光子的寿命到毫秒的四分之一。虽然这听起来不太声音,但它只需每50公里需要大约需要量子的中继器,而不是以前的方法每10公里。

波长的彩虹

也许量子通信的最大障碍是它被限制在一次只有两个节点进行通信。这是因为创造和操纵两个以上的纠缠粒子是极其困难的。而有些研究表明这是可能的,但对于量子网络来说是不现实的。

然而,一支研究人员最近证明,可以通过将一个光子用多个其他波长分成各种波长来缠绕,因为光子均为a波和粒子。然后,每个波长与不同的光子纠缠在一起,允许一个节点与多个节点同时通信。

在本月早些时候发布的论文中自然,研究人员将其工作描述为“完全连接的量子网络架构,其中一个缠绕的光子源将量子状态分配给许多用户,同时最小化每个所需的资源。”

量子网络和量子互联网将彻底改变通信。一旦他们完全开发并在广泛的规模上采用,人们不仅可以在比今天更快地以速度沟通的速度,但它们不再需要担心安全性。

直到最近,这种情况被认为是在遥远的未来 - 但现在可能比我们想象的更快的大规模量子通信。

图像信用:他在Rybin/Shutterstock.com

斯科特目前正在为联合国进行研究和编辑。他对可持续能源,全球政治和加密货币最感兴趣。在业余时间,他喜欢读和户外。