美国宇航局在量子传送上取得了重大突破

文章作者:lili | 2016-10-18
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中国量子卫星“墨子”号已经升空有些时日了。关于量子卫星的科普文章本站也都有较多介绍,就不再累述。只是简单的说,量子通信是非常有前景的。能实现的功能也非常之广阔。这一点上面我们暂时领先了(相关链接)。不过美国宇航局最新科学研究成果令人侧目,其科研人员在实验室外传输量子达到了最远的6公里外。可以说是一个重大突破。

美国宇航局取得了量子传送上重大突破

量子通信利用了量子力学中许多独特的性质,比如我们能以极高的安全性传送信息或是将量子计算机连接在一起。

据国外媒体报道,近日,研究人员达成了实验室外量子传送的最远记录,他们成功地利用普通的城市光纤网络,将一个光子的量子态传送到超过6千米远外的某处。实验是在加拿大城市卡尔加里地下的“暗”光缆里进行的。虽然我们离实用化的量子互联网络尚有时日,但此次实验的成功让研究人员向这一终极目标前进了一大步。一旦有朝一日我们能驯服量子传送,我们就能建立绝对安全的加密通信网络。发信者可以借助该网络给所有他希望收到消息的人发送信息,而所有发送的信息都无法被任何窃听者拦截。

这一研究是美国宇航局喷气推进实验室(JPL)、卡尔加里大学和美国国家标准技术研究所(NIST)的共同合作成果,有关论文已经发表在期刊《自然 光子学》上。在这个有史以来第一次利用城市光纤网络进行的量子传送实验中,研究人员使用了“暗”光缆,即未被使用的光缆。由JPL和NIST的研究人员设计的光子传感器能够监测光缆内的动静。所有这些努力创下了新的记录——在实际的基础设施中进行超过6千米的量子传送。虽然过去有更远距离的量子传送记录,但那些都是在实验室环境下达成的。

来自JPL的文章其他作者之一,Francesco Marsili表示,在实验室环境意外描述类似传送的量子效应涉及了一系列全新的挑战。这次的实验表明这些挑战都是可以克服的,可以说是我们在建立量子互联网路上一个重要的里程碑。量子通信利用了量子力学中许多独特的性质,比如我们能以极高的安全性传送信息或是将量子计算机连接在一起。它是借由“纠缠”作用实现的,具体而言就是两个粒子在相隔甚远后彼此之间仍然具有联系。任何事物如果影响了其中一个粒子的状态,也会相应影响到另一个粒子的状态。

我们不妨假设两个相互纠缠粒子——光子1和光子2。光子2可以被送到很远的地方,而两个光子之间仍然维持纠缠状态。如果光子2在另一处遇到了光子3且与之相互作用,那么由光子3转移给光子2的状态会自动的传送给与光子2相纠缠的光子1。正如研究人员指出的,由于光子1和光子3从没有发生实际的相互作用,这实际上是一个“虚无缥缈”的传输过程。借由这一概念,两个人可以利用同样的原理在彼此之间进行安全的通信。

这一切都是在量子力学的尺度下发生的,涉及到的粒子非常微小,研究它们非常困难。然而我们在这些实验中使用了超灵敏的光子传感器,让我们能更精确地探测光子。卡尔加里大学量子科学与技术学院的Daniel Oblak表示,由JPL和NIST的研究人员主导的超导探测器平台让以探测通讯波长上的单个光子成为可能。整套平台几乎没有噪声,效率几近完美。如果是老式的探测器,这样的结果是不可想象的。如果不是JPL的探测器,像我们这样用已有的光纤基建进行的类似实验根本无法成功。

量子通信可在各个领域被用于建立高度安全的通讯系统以保护数据信号。下一步,研究人员将建立中继器将纠缠光子传送到更远的地方。他们表示,借助“超敏感光子探测器”,中继器甚至能让纠缠光子横越整个国家。最终,我们可以无需借助中继器就完成同太空之间的量子传送。光子可借由激光直接发射到太空中,而光子的状态则从地球上传送。

JPL下属微型设备实验室的Matt Shaw表示,通过使用先进超导探测器,我们能有效地使用单个光子在太空和地面之间同时传送经典信息与量子信息。我们计划使用这些探测器的更先进版本来演示与深空的光学通信和与国际空间站的量子通信。

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