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简化量子信息传输

量子领域掌握着我们所知的下一次通信技术革命的关键。在前所未有的性能和不可穿透的安全性承诺下,量子技术正朝着最终目标迈出第一步,比如实现高度加密但几乎快如光速的金融交易。然而,量子计算机相互通信的能力受到此类交换所需资源的限制,限制了可交易的信息量和可存储的时间。

日本的研究人员已经在解决这些资源限制方面迈出了重要的一步。他们在5月27日的《物理评论快报》上发表了他们的发现。

“远程量子计算机连接在一起,我们需要它们之间的能力执行量子力学操作很长的距离,同时保持他们重要的量子相干性,”教授说Kae Nemoto,论文作者和全球研究中心主任量子信息科学研究所的信息(NII)在日本。

但有趣的是,虽然量子计算机已经在小规模出现,但量子通信技术还停留在设备层面,还没有集成到一起实现通信系统。在这项工作中,我们指明了前进的道路。”

量子信息需要保护,不受周围大量噪声的干扰,也不受信息从初始信息中丢失的趋势的影响。这种保护过程被称为量子错误修正,它使一条信息纠缠在多个量子位上,量子位是量子信息的最基本单位。想象一下,一封信被撕成九份,每一份装在一个信封里,每个信封都被送到同一个目的地,然后重新组合起来阅读。在量子世界里,信封是通过光子发送的,每个信封里都有足够的信息,如果有信封丢失或损坏,可以重新生成整封信。

Nemoto说:“保护量子信息不受噪声和损耗的开销将会很大,而实现这一点所需设备的尺寸将会导致严重的问题,正如我们在今天的量子计算机发展中开始看到的那样。”“随着实现量子互联网的努力在全球范围内展开,重要的是把它看作一个系统,而不是简单的设备。”

Nemoto和她的团队利用一种叫做量子多路复用的方法解决了这个问题,在这种方法中,他们不仅减少了噪音,还减少了传输信息所需的资源数量。在多路复用技术中,包含在两个单独光子中的信息被组合成一个光子,就像一个组合中发送的两个信封一样,因此信息仍然被单独保护,但传输只需要一个戳记。

“在这个系统中,量子误差修正将扮演重要的角色,不仅是为了保护传输的量子信息,而且是为了大大减少完成任何任务所需的必要资源,”论文的合著者,NTT基础研究实验室的研究员William J. Munro说。量子多路复用能够显著减少资源,而不需要为这样的量子通信设备开发新技术。

尼莫托说:“量子革命使我们能够设计和创造在我们的古典世界中不可能出现的新技术。”“小型量子计算机的计算性能已经超过了当今最大的超级计算机。然而,许多其他形式的量子技术正在出现,其中最深刻的可能是量子互联网——今天的互联网的量子支持版本,它将允许我们把设备连接在一起,包括量子计算机。”

接下来,研究人员将在他们已经采取的增加信息量和存储时间的第一步基础上继续努力。

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