量子互联网突破：帝国理工科学家首次通过标准光纤传输量子数据

生活 2024年08月11日 22:40 132 望皓

一项新的量子计算研究表明，最近在生产、存储和检索“量子数据”方面的发现使我们离量子互联网更近了一步。

目前，量子信息在长距离上是不稳定的，量子比特（量子信息的载体）在传输过程中容易丢失或分裂。

中国的量子通信卫星墨子号，正式名称为"量子科学实验卫星"，是世界上首颗量子科学实验卫星。墨子号的主要任务是进行量子通信和量子密钥分发的实验，以及测试量子纠缠和量子隐形传态等量子物理现象。

墨子号量子通信卫星在长距离通信方面取得了显著成就，潘建伟团队通过“墨子号”卫星与京沪干线的串联，首次构建了一个集成的空间对地量子通信网络，综合通信链路距离长达4600公里。这个网络由700多个光纤量子密钥分发链路的大规模光纤网络，以及2个高速卫星对地自由空间QKD链路组成。地面光纤网络采用可信的中继结构，覆盖2000多公里，提供了实际的安全性、可靠性和稳定性。同时，卫星对地QKD技术的平均密钥传输速率达47.8kb，比之前的“墨子号”卫星实验提高了40倍以上。然而，量子信息在长距离传输中确实面临着稳定性的挑战。

今天，经典计算机位通过光纤电缆以光脉冲的形式传输，量子互联网突破：帝国理工科学家首次通过标准光纤传输量子数据使用称为“中继器”的设备在网络长度上放大信号。要像今天传输经典计算机位一样传输量子比特，我们需要类似的设备，可以在整个网络上存储和重新传输量子状态，确保信号的保真度，无论数据需要传输多远。这些量子存储设备可以接收、存储和重新传输量子比特状态。这项在伦敦帝国理工学院、南安普顿大学以及德国斯图加特大学和维尔茨堡大学进行的新研究声称，首次使用标准光纤电缆实现了这一点。研究人员使用一种新的、可能更有效的方法存储和检索光子——量子信息的潜在载体之一。

伦敦帝国理工学院的物理教授萨拉·托马斯介绍到：“有两种主要类型的单光子源，一种称为非线性光学频率转换的过程，以及基于单发射器的光子源，我们已经多次证明，我们可以在量子存储器中存储非线性光学产生的光子，因为你可以设计源和存储器以匹配。我们使用了一种特殊的单发射器，称为量子点，这是一种半导体纳米晶体。”

托马斯说，使用非线性光学的可靠性较低——每次不一定产生一对可用的光子，而单发射器量子点以更高的速率产生它们。下一个挑战是量子存储设备的接口效率取决于波长和带宽的匹配。这里的不一致性使存储和检索过于低效，但这项研究最终弥合了这一差距。

“我们通过使用一个高带宽、低噪声的量子存储器，将光子源制造在非常特定的波长以匹配我们的量子存储器来实现这一点，”托马斯说。“我们还能够在一个波长上做到这一点，在这个波长上，光纤的损耗是最低的，这将是未来构建量子网络的关键。”但这并不是量子计算和量子互联网最近唯一的进步。

量子网络模型在极低温度下更稳定，这限制了它们在现实世界中的应用，但这项研究在室温下实现了稳定的连接，这使其在现实世界中使用成为可能。

帝国学院的研究得益于发射器和接收器之间的波长对齐。量子信息首席科学家、量子赋能产品公司Infleqtion的马克曼向大家介绍到：“石溪大学的研究使用了795纳米的光子，并展示了存储和检索后两个光子的干涉，帝国学院的研究使用了1529纳米（这是标准电信波长）的光子，并存储和检索了它，但没有展示干涉。电信波长的存储和检索对于低损耗光纤传输很重要。这两项研究推进了量子网络所需的不同方面。”

网络安全专家迈克尔·哈斯也表示，帝国学院的研究描述了一种方法，而早期的研究描述了该方法工作所必需的机制。

“帝国学院的工作是关于使用中继器建立长距离通信的一种手段，”他说。“量子纠缠理论上允许通信相隔很远，但实际上，当它们更接近时更容易。石溪大学的研究指的是在室温下存储量子信息，这对于成本效益的中继器实施是必要的。”

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