研究人员概述了一种新的方法,通过使用真空光束波导来建立一个跨越全国的量子网络,其中量子比特可以在小型真空密封管中传播数千英里。来源:SciTechDaily.com
量子网络的一种新方法是使用带有间隔透镜的真空密封管,通过光子远距离传输量子数据。这种方法是由芝加哥大学的科学家及其合作者开发的,旨在实现远距离安全、高容量的量子通信。
量子计算机为改善网络安全、通信和数据处理等领域提供了强大的方法。然而,为了实现这些全部好处,需要连接多台量子计算机来构建量子网络或量子互联网。科学家们一直在努力想出建造这种网络的实用方法,这种网络必须远距离传输量子信息。
为了使量子网络成为现实,芝加哥大学普利兹克分子工程学院Jiang Group的研究人员提出,使用真空密封管和一组间隔透镜来构建长量子通道。Credit:江氏集团
创新量子通信
现在,芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员提出了一种新方法——利用真空密封管和一组间隔透镜构建长量子通道。这些直径约为20厘米的真空光束波导,将具有数千公里的传输距离和每秒10万亿量子比特的容量,比任何现有的量子通信方法都要好。编码量子数据的光子将通过真空管移动,并由于透镜而保持聚焦。
“我们相信这种网络是可行的,而且有很大的潜力,”分子工程学教授、这项新研究的资深作者梁江说。“它不仅可以用于安全通信,还可以用于构建分布式量子计算网络、分布式量子传感技术、新型望远镜和同步时钟。”
江与斯坦福大学和加州理工学院的科学家合作完成了这项新工作,该工作发表在7月9日的《物理评论快报》上。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授Liang Jiang评论了使用真空光束波导的量子网络,该网络的范围将达到数千公里,容量为每秒10万亿量子比特,比任何现有的量子通信方法都要好。来源:芝加哥大学普利兹克分子工程学院/ John Zich
量子特性与数据传输
经典计算机用传统的比特(表示为0或1)编码数据,而量子计算机则依赖于量子比特,它可以展示量子现象。这些现象包括叠加——一种状态的模糊组合——以及纠缠,它允许两个量子粒子即使在很远的距离上也能相互关联。
这些特性使量子计算机能够分析新型数据,并以新的、安全的方式存储和传递信息。连接多台量子计算机可以使它们更加强大,因为它们的数据处理能力可以汇集在一起。然而,通常用于连接计算机的网络并不理想,因为它们不能保持量子位的量子特性。
“你不能通过经典网络发送量子态,”江解释说。“你可能会发送一段经典数据,量子计算机可以处理它,但结果会再次被经典地发送回来。”
一些研究人员已经测试了使用光纤电缆和卫星传输光子的方法,光子可以作为量子比特。光子可以在现有的光纤电缆中传播很短的距离,但由于光子被吸收,通常会很快失去信息。由于太空的真空,反射到卫星上并在新地点返回地面的光子吸收较少,但它们的传播受到大气吸收和卫星可用性的限制。
“我们想做的是将之前每种方法的优点结合起来,”PME研究生黄月勋说,他是这项新研究的第一作者。“在真空中,你可以发送大量信息而不会衰减。但能够在地面上做到这一点是理想的。”
Ground-based真空管和量子信息
加州理工学院激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的科学家们已经建造了巨大的地面真空管,用来容纳可以探测引力波的移动光子。LIGO的实验表明,在几乎没有分子的真空中,光子可以传播数千公里。
受到这项技术的启发,Jiang, Huang和他们的同事开始描绘如何使用更小的真空管在量子计算机之间传输光子。在他们新的理论工作中,他们表明,如果设计和排列得当,这些管可以携带光子穿越全国。此外,它们只需要中等真空(10^-4大气压),这比LIGO所需的超高真空(10^-11大气压)更容易维持。
蒋解释说:“主要的挑战是,当光子在真空中移动时,它会扩散一点。”“为了克服这个问题,我们建议每隔几公里放置一个透镜,这样就可以在没有衍射损失的情况下将光束聚焦到很远的距离。”
与加州理工学院的研究人员合作,该小组正在计划桌面实验来测试这个想法的实用性,然后计划使用更大的真空管,比如LIGO的真空管,来研究如何对齐透镜,并在长距离上稳定光子光束。
他说:“要在更大范围内实施这项技术,我们还需要解决一些土木工程方面的挑战。”“但最终的好处是,我们拥有了大型量子网络,每秒可以传输数十太字节的数据。”
参考文献:黄岳轩,Francisco Salces-Carcoba, Rana X. Adhikari, Amir H. Safavi-Naeini和Liang Jiang,“大规模量子网络的真空束波导”,2024年7月9日,物理评论通讯DOI: 10.1103 / PhysRevLett.133.020801
经费:这项工作得到了陆军研究实验室、空军研究实验室、美国国家航空航天局的支持美国国家科学基金会、NTT研究中心、帕卡德基金会、马歇尔和阿琳·贝内特家庭研究计划以及美国能源部。