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新的研究推进了美国陆军对超安全量子网络的追求

美国陆军的两个研究项目推进了量子网络,这将可能在未来的战场行动中发挥关键作用。

量子网络有可能提供传统网络无法实现的多种新能力,其中之一就是安全量子通信。在量子通信协议中,信息通常是通过纠缠光子粒子发送的。窃听量子通讯几乎是不可能的,而且那些试图留下篡改证据的人;然而,通过传统通道(如光纤线路)通过光子发送量子信息是困难的。携带信息的光子经常被损坏或丢失,使得信号变得微弱或不相干。

在第一个项目中,由美国陆军作战能力发展陆军研究实验室分布式量子信息中心资助和管理的芝加哥大学研究小组演示了一种新的量子通信技术,可以绕过那些传统信道。这项研究用一个信道连接两个通信节点,并在节点之间以量子方式发送信息,而不需要占用连接信道。

这一结果尤其令人兴奋,不仅因为该团队实现了高传输效率,还因为他们开发的系统将使在存在可变信号损耗的情况下进一步探索量子协议成为可能。该实验室陆军研究办公室的项目经理、分布式量子信息中心的联合经理Sara Gamble博士说。克服损失是实现鲁棒量子通信和量子网络的关键障碍。

这项研究发表在《物理评论快报》上,它开发了一种利用微波光子使两个通信节点纠缠在一起的系统。通过微波电缆,蜂窝电话中使用的光子与此相同。在这个实验中,他们使用了一根大约一米长的微波电缆。通过控制系统的开关,他们能够使两个节点纠缠在一起,在它们之间发送信息,而不需要通过电缆发送光子。

我们在一米的电缆上传输信息而没有发送任何光子,这是一个非常不寻常的成就。安德鲁·克莱兰博士说,他是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的老约翰·a·麦克林教授,也是阿贡国家实验室的资深科学家。原则上,这也适用于更远的距离。这将比通过光纤通道发送光子的系统更快、更有效。

尽管该系统有局限性,但它必须保持非常冷的温度,即比绝对零度高出几度的温度,研究人员说,它也可能在室温下使用原子而不是光子工作。

该团队目前正在进行实验,将几个光子缠绕在一起,使其处于一种更复杂的状态,这最终可能增强量子通信协议和能力。

然而,纠缠粒子并不仅限于光子或原子。在2020年6月12日发表在同行评审期刊《物理评论X》上的第二篇论文中,同一个芝加哥研究小组首次使两个声子(声音的量子粒子)纠缠在一起。

利用一个类似于光子量子通信系统的与声子通信的系统,研究小组将两个微波声子纠缠在一起,这两个声子的音高大约是人耳所能听到的100万倍。

一旦声子纠缠在一起,研究小组就用其中一个声子作为先兆,用来影响他们的量子系统如何使用另一个声子。先驱号允许研究小组进行所谓的量子擦除实验,在这个实验中,即使在测量完成之后,信息也会从测量中被擦除。

声子给你更大的时间窗去做事情,并减轻了量子擦除实验中的一些挑战,克莱兰德说。

尽管声子比光子有很多缺点,例如,它们的寿命较短,它们与一些可能与光子没有强烈相互作用的固态量子系统相互作用强烈。因此,声子可以提供一种更好的方式来耦合这些系统。

这种耦合对于许多量子网络应用程序来说是一种关键的能力,并且可能也有利于其他量子信息科学应用程序,如量子计算。此外,在同样的频率下,声子的波长要比光子短,这可能会使量子电路更小。

总之,这些实验为未来的研究提供了多种途径,研究如何在非理想环境下构建量子网络,并在系统之间可靠地传输量子信息。该实验室的研究员、分布式量子信息中心(Center for Distributed Quantum Information)的联合主管弗雷德里克·法特米(Fredrik Fatemi)博士说。两者对未来量子技术的发展都至关重要。

想了解更多关于这项研究的信息,请阅读新的量子通信技术,在远距离使用幽灵行动发送信息。

引用:

采用可调耗散量子通信系统的绝热通道远程纠缠A. Bienfait, Y. P。钟,H.-S。Chang M.-H。周,C .  R。康纳,大理。杜默,格里贝尔,G。Peairs R .  G。K·波维.  J。Satzinger和.  N。克莱兰,2020年6月12日,物理评论快报。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.240502

纠缠表面声声子的量子擦除A. Bienfait, Y. P。钟,H.-S。Chang M.-H。周,C .  R。康纳,大理。杜默,格里贝尔,G。Peairs R .  G。K·波维.  J。Satzinger和.  N。克莱兰,2020年6月12日,物理评论X。

DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.021055

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