新研究推动美国陆军量子网络发展

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原标题:新研究推动美国陆军量子网络发展

[据防务宇航网站2020年6月24日报道]美国陆军的两个研究项目推进了量子网络的发展,这可能在未来战场作战中发挥关键作用。

量子网络将可能提供多种传统网络无法实现的新型能力,其中之一就是安全的量子通信。在量子通信协议中,信息通常是通过纠缠的光子粒子发送的。因此,窃听量子通信几乎是不可能的,而那些试图窃听量子通信的人也会留下通信被篡改的痕迹。但是,利用光子在传统信道(如光纤线路)发送量子信息是很困难的——携带信息的光子经常被破坏或丢失,使得信号变得微弱或不连贯。

第一个项目由美国陆军作战能力发展部陆军研究实验室分布式量子信息中心资助和管理,在该项目中,芝加哥大学的研究团队展示了一种绕过这些传统信道的新型量子通信技术。该研究将两个通信节点与一个通道链接,证明了可以在节点之间以量子原理方式发送信息,而无需占用链接通道。

该实验室陆军研究办公室项目经理、分布式量子信息中心的联合管理者Sara

Gamble博士说:“这一结果特别令人振奋,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人们能够在可变信号损耗的情况下进一步探索量子协议。克服损耗是实现鲁棒量子通信和量子网络的一个关键技术。”

该研究发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上,该研究开发了一种系统,这种系统利用微波光子(与手机中使用的光子相同),通过微波电缆纠缠两个通信节点。在该实验中,他们使用了一条长约一米的微波电缆。通过以可控的方式打开和关闭系统,他们能够将两个节点进行量子纠缠,并在它们之间发送信息,而无需通过电缆发送光子。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院“John

A. MacLean”高级教授、阿贡国家实验室高级科学家Andrew

Cleland博士说:“我们在一米长的电缆上传输信息,而不需要发送任何光子,这是一个非常不寻常的成就。从原理上,这种系统也能在更远的距离上起作用。与通过光纤通道发送光子的系统相比,这种系统更快、更高效。”

尽管该系统具有局限性——它必须处于非常寒冷的环境(温度仅高于绝对零度几度),但研究人员表示,它也有可能在室温下用原子代替光子工作。

该团队现在正在进行实验,将多个光子以更复杂的状态纠缠在一起,最终可以实现增强的量子通信协议和能力。

然而,纠缠粒子并不仅仅限于光子或原子。在2020年6月12日发表在行业评审期刊《物理评论X》(Physical Review X)上的第二篇论文中,同一个芝加哥团队首次将两个声子(声音的量子粒子)纠缠在一起。

该团队为与声子通信建立了一个系统,该系统类似于光子量子通信系统,它能将两个微波声子纠缠在一起,这些声子的音调大约比人耳能听到的音调高100万倍。

一旦这些声子被纠缠在一起,该团队就将其中一个声子作为“先驱”,从而影响他们的量子系统使用另一个声子的方式。这种方法使得该团队能够进行所谓的“量子橡皮擦”实验,在该实验中,即使在测量完成后,信息也会从测量中删除。

Cleland说:“声子给系统提供了更大的时间窗口,从而减少了做量子橡皮擦实验的一些挑战。”

尽管与光子相比,声子有很多缺点(例如,它们的寿命较短),但它们与一些固态量子系统有强烈的相互作用,这种特点是光子没有的。因此,声子可以提供一种与这些系统进行耦合的更好的方式。

这种耦合是许多量子网络应用的关键能力,也可能有利于其他量子信息科学应用,如量子计算。此外,在相同的频率下,声子的波长比光子的波长短,有可能实现更小的量子电路。

该实验室研究员、分布式量子信息中心联合管理者Fredrik

Fatemi博士说:“这些实验共同为我们未来研究如何构建在非理想环境中发挥作用的量子网络,并在系统之间可靠地传输量子信息提供了多种途径。”(国家工业信息安全发展研究中心

刘彧宽)