美國宇航局在量子傳送上取得了重大突破

文章作者:lili | 2016-10-18
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中國量子衛星“墨子”号已經升空有些時日了。關于量子衛星的科普文章本站也都有較多介紹,就不再累述。隻是簡單的說,量子通信是非常有前景的。能實現的功能也非常之廣闊。這一點上面我們暫時領先了(相關鍊接)。不過美國宇航局最新科學研究成果令人側目,其科研人員在實驗室外傳輸量子達到了最遠的6公裡外。可以說是一個重大突破。

美國宇航局取得了量子傳送上重大突破

量子通信利用了量子力學中許多獨特的性質,比如我們能以極高的安全性傳送信息或是将量子計算機連接在一起。

據國外媒體報道,近日,研究人員達成了實驗室外量子傳送的最遠記錄,他們成功地利用普通的城市光纖網絡,将一個光子的量子态傳送到超過6千米遠外的某處。實驗是在加拿大城市卡爾加裡地下的“暗”光纜裡進行的。雖然我們離實用化的量子互聯網絡尚有時日,但此次實驗的成功讓研究人員向這一終極目标前進了一大步。一旦有朝一日我們能馴服量子傳送,我們就能建立絕對安全的加密通信網絡。發信者可以借助該網絡給所有他希望收到消息的人發送信息,而所有發送的信息都無法被任何竊聽者攔截。

這一研究是美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)、卡爾加裡大學和美國國家标準技術研究所(NIST)的共同合作成果,有關論文已經發表在期刊《自然 光子學》上。在這個有史以來第一次利用城市光纖網絡進行的量子傳送實驗中,研究人員使用了“暗”光纜,即未被使用的光纜。由JPL和NIST的研究人員設計的光子傳感器能夠監測光纜内的動靜。所有這些努力創下了新的記錄——在實際的基礎設施中進行超過6千米的量子傳送。雖然過去有更遠距離的量子傳送記錄,但那些都是在實驗室環境下達成的。

來自JPL的文章其他作者之一,Francesco Marsili表示,在實驗室環境意外描述類似傳送的量子效應涉及了一系列全新的挑戰。這次的實驗表明這些挑戰都是可以克服的,可以說是我們在建立量子互聯網路上一個重要的裡程碑。量子通信利用了量子力學中許多獨特的性質,比如我們能以極高的安全性傳送信息或是将量子計算機連接在一起。它是借由“糾纏”作用實現的,具體而言就是兩個粒子在相隔甚遠後彼此之間仍然具有聯系。任何事物如果影響了其中一個粒子的狀态,也會相應影響到另一個粒子的狀态。

我們不妨假設兩個相互糾纏粒子——光子1和光子2。光子2可以被送到很遠的地方,而兩個光子之間仍然維持糾纏狀态。如果光子2在另一處遇到了光子3且與之相互作用,那麼由光子3轉移給光子2的狀态會自動的傳送給與光子2相糾纏的光子1。正如研究人員指出的,由于光子1和光子3從沒有發生實際的相互作用,這實際上是一個“虛無缥缈”的傳輸過程。借由這一概念,兩個人可以利用同樣的原理在彼此之間進行安全的通信。

這一切都是在量子力學的尺度下發生的,涉及到的粒子非常微小,研究它們非常困難。然而我們在這些實驗中使用了超靈敏的光子傳感器,讓我們能更精确地探測光子。卡爾加裡大學量子科學與技術學院的Daniel Oblak表示,由JPL和NIST的研究人員主導的超導探測器平台讓以探測通訊波長上的單個光子成為可能。整套平台幾乎沒有噪聲,效率幾近完美。如果是老式的探測器,這樣的結果是不可想象的。如果不是JPL的探測器,像我們這樣用已有的光纖基建進行的類似實驗根本無法成功。

量子通信可在各個領域被用于建立高度安全的通訊系統以保護數據信号。下一步,研究人員将建立中繼器将糾纏光子傳送到更遠的地方。他們表示,借助“超敏感光子探測器”,中繼器甚至能讓糾纏光子橫越整個國家。最終,我們可以無需借助中繼器就完成同太空之間的量子傳送。光子可借由激光直接發射到太空中,而光子的狀态則從地球上傳送。

JPL下屬微型設備實驗室的Matt Shaw表示,通過使用先進超導探測器,我們能有效地使用單個光子在太空和地面之間同時傳送經典信息與量子信息。我們計劃使用這些探測器的更先進版本來演示與深空的光學通信和與國際空間站的量子通信。

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