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量子互联网的探索通过新的纠缠技术得到了推动

  • 科学
  • 2020-08-20 08:28:56
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开发任何连接量子计算机的“量子互联网”所必需的传统纠缠方式,并不十分适合当今非量子互联网所使用的光纤电信网络。但是,研究人员想出了一种新的方法来生产这种更相容的颗粒。

在当今的通过光纤电缆连接的电信网络中,传输的光子往往会在几公里内被电缆制成的材料吸收。为了避免信号恶化,以固定间隔建立中继器以放大信号。

类似的问题将成为魔鬼在量子通信乃至量子互联网方面的努力。横滨国立大学的Tomoyuki Horikiri及其同事正在通过开发纠缠光子的新来源来解决这个问题。

他们的发现发表于8月12日的《通信物理学》上。

当一对粒子或量子位的量子态不可避免地与另一个粒子的量子态相连时,它们就会纠缠在一起。因此,无论距离如何,对一个量子比特执行的测量将始终与对另一量子比特进行的测量相关。

这种纠缠是流行科学解释中著名的“远距离鬼动作”,是未来任何量子通信基础设施的关键。

利用这种怪异的现象,研究人员可以使用纠缠的光子在两个位置之间传输信息。发送器有一半的纠缠光子,接收器有另一半。例如,两个用户可以建立一个随机秘密比特串,以通过共享纠缠进行加密。

但是长距离量子通信也遭受光纤损耗,纠缠的光子由于与周围环境的相互作用而变得纠缠,装载量子存储器的量子中继器对于延长量子通信的距离是必不可少的。中继器存储用户发送的光子的量子状态。通过测量光子进行的纠缠“交换”有效地将纠缠传播到更长的距离上,就像跑步者在接力赛中交出警棍一样。

量子中继器通过在光和物质之间重复交换量子态来工作。这需要与量子记忆兼容的纠缠粒子源。不幸的是,量子存储器通常吸收光束光谱的窄宽度(称为线宽),但是传统的量子纠缠光子对源具有宽光谱。这导致纠缠的光子对与量子存储器之间的耦合非常差。

到目前为止,开发纠缠光子源的努力一直难以满足中继器-量子存储器兼容性和实际应用的所有要求:大量光子(用于大量通信),窄线宽和高纠缠保真度。

几十年来,产生纠缠粒子的最常见方法是一种称为自发参数下转换(SPDC)的技术。它使用晶体将单个高能光子转换为成对纠缠的光子,而原始能量只有原来的一半。

Horikiri说:“这对于量子信息实验非常有用。” “但是对于宽带量子通信来说,SPDC与量子中继器所需的量子存储器生产所涉及的非常窄的能量转换并不十分兼容。”

研究人员通过将晶体放置在蝴蝶结状的光学腔中,对该技术进行了改进,并且能够成功地将纠缠的光子通过光纤传播超过十公里,并重复了一次,总总距离为20公里。

继这一概念验证之后,人们就可以通过低损耗的光纤电缆部署新的量子内存兼容纠缠光子源,研究人员现在希望通过多个中继器节点部署更远距离的技术。

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