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科学家演示三节点量子网络离构建量子互联网又近了一步

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科学家通常只能用量子隐形传态技术点对点完成量子信息传输

5月26日消息,荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的物理学家最近使用量子隐形传态技术在三个处于不同物理位置的节点之间实现量子信息传输,离打造出“量子互联网”又近了一步。

科学家通常只能用量子隐形传态技术点对点完成量子信息传输。这项实验表明,科学家可以将一个量子网络延伸到越来越多的点。“我们现在正在实验室里构建小型量子网络,”负责研究团队的荷兰代尔夫特大学物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)说。“但我们的想法是最终建立起一个量子互联网。”

目前世界各地的科学家都在研发量子计算机,其能够在几分钟内完成超级计算机甚至需要数千年运算才能完成的任务。2019年秋季,谷歌推出一台实验性量子计算机,表明这种研究是可行的。

但如果没有另一项技术突破,量子计算机将无法发挥潜力。科学家需要建立起量子互联网,让不同位置的量子计算机可以彼此传输量子信息。

荷兰物理学家的最新研究论文于本周发表在科学杂志《自然》上,展示了量子隐形传态的力量。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)曾将其称之为“幽灵般的远距离作用”。

这项技术可以深刻改变人类在不同地点传输数据的方式。量子隐形传态依托量子力学原理,不仅能够在量子计算机之间实现数据传输,而且还无法拦截。

“这不仅意味着量子计算机可以在不知道问题是什么的情况下解决问题,”因斯布鲁克大学实验物理研究所研究员特蕾西·埃莉诺瑟普(Tracy Eleanor Northup)说,她也在探索量子隐形传态。“现在不是这样。谷歌知道你在它的服务器上运行什么。”

传统计算机通过处理“比特”信息来执行计算,每个比特要么是1,要么是0。而量子计算机中的量子比特可以存储0和1的叠加态,这意味着两个量子比特可以同时代表4个值,三个量子比特可以代表8个值,四个可以代表16个值。随着量子比特数量的增长,量子计算机的功能会呈指数级增长。

研究人员认为,有朝一日量子计算机可能会加速新药研发,推动人工智能的进步,并迅速颠覆现有的加密技术。在全球范围内,各个机构都在投入巨额资金探索这项技术。

2019年,谷歌宣布其机器已经达到科学家所谓的“量子超越性”,这意味着其可以执行传统计算机无法完成的实验任务。但大多数专家认为,量子计算机真正派上用途至少还需要几年时间。

部分挑战在于,如果人们从量子比特中直接读取信息,量子比特就会出现断裂或“退相干”,最终导致量子比特由相干叠加态退化为混合态或单一态。但是,科学家计划通过把许多量子比特串在一起,并开发防止退相干的方法,来制造出既强大又实用的机器。

最理想的情况是,这些量子计算机连接到网络中,节点之间可以任意发送信息,就像谷歌和亚马逊当前所提供的云计算服务一样。

但网络也有自身问题。部分原因是退相干导致人们不能简单通过传统网络复制和发送量子信息。量子隐形传态则提供了一种解决方案。

虽然量子隐形传态技术不能将物体从一个地方移动到另一个地方,但它可以利用量子纠缠特性来传输信息,也就是一个量子系统状态的变化会瞬间影响其他位置量子系统的状态。

埃莉诺瑟普说:“在纠缠之后,你就不能再单独描述单一节点的状态了。”“从根本上说,现在双方处于一个系统。”

这些纠缠系统可以是电子、光子或其他物体。荷兰的汉森博士以及团队利用人造金刚石中的氮-空位中心(Nitrogen-Vacancy center)来实现量子纠缠。

研究团队打造了三个量子系统,分别命名为爱丽丝、鲍勃和查理,并将它们用光纤直接连接起来。然后,科学家们可以通过在这些系统之间发送单独光子来实现不同系统的量子纠缠。

首先,研究人员将爱丽丝和鲍勃的两个电子纠缠在一起。事实上,这些电子的自旋状态相同,因此能在一个共同的量子态中结合或纠缠在一起,每个电子都存储着相同的信息:0和1的叠加态。

然后,研究人员可以将这个量子态转移到另一个量子比特,也就是鲍勃系统人造金刚石中的碳原子核上。这样做可以释放鲍勃系统中的电子,然后再将其与查理系统的另一个电子纠缠在一起。

通过对鲍勃系统中的电子和碳原子核进行特定的量子计算,研究人员就可以将爱丽丝和鲍勃纠缠在一起,并将鲍勃和查理纠缠在一起。

结果就是爱丽丝与查理纠缠在一起,这使得数据能够在所有三个节点之间传送。

当数据以这种方式传输时,不受传输距离影响,也不会丢失。“信息可以从网络的一个节点输入,然后出现在另一侧,”汉森说。

这些信息也无法被拦截。以量子隐形传态技术为基础的未来量子互联网可能会提供一种理论上无法破解的新型加密技术。

需要清楚的是,实验中不同节点之间相距只有大约不到20米。但之前的实验表明,量子系统可以在更长的距离上实现纠缠。

人们希望,经过数年的研究,量子隐形传态将能够在远距离上可行。“我们现在正试图在实验室之外做这件事,”汉森说。(辰辰)

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发布日期:2022-05-27 09:56:23

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