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科学家初步实现激光脉冲量子远距传输

2016-11-03 11:13:24       来源:新浪科技

科学家初步实现激光脉冲量子远距传输

新浪科技讯 北京时间11月3日消息,据国外媒体报道,在《星际迷航》系列影片中,“企业号”飞船上的成员们可以在转瞬之间从星球上转移到飞船上,长距离移动看起来似乎轻而易举。虽然这些能力显然是虚构出来的,但研究人员近日利用“量子远距传输”技术(quantum teleportation),成功在相隔几英里的两处城市光纤网络之间实现了激光脉冲的传输。

虽然该研究中使用的方法并不会将地铁或公交取而代之,但它将帮助我们建设黑客无法入侵的电子通讯网络,即所谓的“量子网络”。强大的量子计算机可以通过该网络,与其它计算机取得联系。

把一件物体从宇宙中的一处瞬间转移到另一处、不需要让它在空间中发生移动,这听上去就像是科幻小说中的情节,但从1998年至今,量子物理学家一直在开展这方面的实验。目前的量子远距传输最远距离记录是在2012年创下的,约为143公里,位于加纳利群岛的两座岛屿之间。

诡异的举动

量子远距传输依托量子物理的古怪性质进行。量子物理认为,宇宙的基本组成部分、如亚原子粒子等,从本质上来说,可以同时存在于两个、甚至两个以上不同的地方。说得更具体一些,量子远距传输的基础是一种名叫“量子纠缠”的奇特现象:无论两个物体相隔多远,彼此之间都存在着相互联系,并且可以立即对彼此产生影响。

目前,研究人员还无法实现物质(如人类)的瞬间传输,但他们可以利用量子远距传输技术来传递信息。例如,要想对一个电子进行远距传输,就先要让它和另一个电子构成量子纠缠关系。然后其中一个电子(即用来传输的电子)留在原地不动,另一个电子则将以实体形式、被传输到任何指定的目的地去。

接下来,人们将对用来传输的电子的基本信息、或者“量子态”进行分析,同时破坏该电子的量子态。最后,这些信息将被发往电子传输的目的地,用在另一个电子身上,从而重新创造出第一个电子,并且与原来的没有任何区别。这样一来,原来的电子就实现了远距离移动。(不过,由于这些数据是通过光脉冲或电子等常规信号传输的,因此量子远距传输的速度不可能超过光速。)

有两支研究团队各自独立地报告称,自己在相距几英里的两处光纤网络之间实现了量子远距传输技术。这两支团队分别来自中国合肥和加拿大阿尔伯塔省卡尔加里。

未来科技

量子远距传输将是实现许多未来技术的关键。例如,量子密码学可以利用量子远距传输技术,在两地之间安全地传输数据,并能自动探测出任何入侵行为。此外,人们还能在“量子网络”中使用量子远距传输技术,在不同的量子计算机之间实现数据共享。此前的研究显示,量子计算机在瞬息之间实现的计算次数可以超过宇宙中所有原子数量的综合。

“未来如果你有一台量子计算机,要是有人想使用它,就可以把数据发送到这台量子计算机上,然后获得计算结果,就像现在的云计算技术一样。”中国科技大学的量子工程师张强说道,他同时还是合肥研究团队的共同主要作者。

在这两起量子远距传输实验中,传输点都有三处,之间的距离最长为12.5公里,模仿了未来量子网络的构造。此前只有一次实验采用过三处传输点,传输点之间的距离还不到一公里。

此前的实验中使用的是可见光脉冲,因此无法在光纤中传输较远的距离。而在这两起最新实验中,科学家采用了日常电信网络中使用的红外光,传输的距离更远。此外,他们还利用了所在城市中现有的光纤网络。

要实现长距离量子远距传输,激光束必须完全同步,即使具体到单个光子身上,也必须密不可分才行。并且,就算在复杂多变的环境下铺设的光纤中传输了数英里,激光束也不能分裂开来。而电信行业近日正好在单光子探测器方面取得了一些改进,两支研究团队都从中有所获益。

“我们很自豪地看到,在实际环境测验中观察到的结果并不比实验室测验的结果差。”中科大的量子工程师、此次研究的主要作者孙启超说道。

在卡尔加里开展的实验中,传输率为每分钟17个光子(每小时1020个光子),比合肥实验的传输速度快。不过,巴黎第十一大学的量子信息研究人员弗雷德里克·格罗桑(Frédéric Grosshans)指出,为了达到这样的传输速度,卡尔加里的研究人员采用的实验方法对该技术目前的实用价值造成了一定限制。

此外,两支研究团队都运用了各种各样的方法,确保激光束紧密地联结在一起。他们各采用了一种不同的技术,而格罗桑认为,我们可以把这两种方法结合在一起,从而取得更理想的成果。

孙启超指出,该技术的未来发展方向之一是,把量子远距传输网络扩展到“100公里规模,实现城际量子远距传输”。这需要进一步改进探测器的工作效率,同时对干扰源加以避免。

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