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绝对安全何时实现?量子互联网混合连接突破性进展

E安全11月26日讯 量子计算竞争日趋激烈,谷歌和IBM正角逐量子优势。这两家公司都在制造能超越最强大传统计算机的量子计算机芯片,一旦这类设备上线,下一个重大挑战将会是如何有效连接。

“量子互联网”目前处于起步阶段,已有政府、金融机构和研究机构已经在实验量子计算机之间建立了小型内部网络传输信息。我国已成功通过近地轨道的卫星传送量子信息。量子互联网将提供大量优势,例如安全交换数据,以及超高效处理数据。

不同类型量子节点间的兼容性难题

在当前现有的量子网络中,信息在相同类型的量子节点间传输,量子节点负责传输、存储并处理量子比特。如今,西班牙光子科学研究所(Institute of Photonic Sciences,简称ICFO)的研究人员宣布,他们设法在实验室两种不同类型的量子节点之间传输信息,以此克服量子互联网信息传输面临的巨大障碍。

西班牙研究人员创建首个量子互联网混合连接-E安全

应用Time-Bin编码技术

与以二进制(1或0)存储信息的普通计算机不同,量子计算机以量子比特进行通信,以1、0或将两者叠加来存储信息。此类信息通常被编码在光子中。西班牙光子科学研究所在实验中使用Time-Bin编码技术将量子比特编码在光子中。

这就需要光子通过干涉仪——叠加光波的设备。西班牙光子科学研究所的研究人员表示,此类编码使得量子比特对量子退相干(Decoherence)特别有效,或使量子比特中包含的信息遭到破坏。

特殊晶体提升量子比特存储时间

虽然光子是量子网络中出类拔萃的信息媒介,但量子节点可以通过不同的材料实现,每种材料都有自己的优势。西班牙光子科学研究所的研究人员指出,由大量激光冷却铷原子生成的节点是生成量子比特并将其编码到光子中的理想媒介。另一方面,由注入少量镨离子的晶体生成的节点更适合“长”(在量子领域,以微秒来计)时间存储量子比特。

根据网络应用使用不同类型的节点会让量子网络受益,但是如何将光子从一个节点发送至另一节点是研究人员面临的重大难题。

西班牙光子科学研究所的研究人员Nicolas Maring(尼古拉斯·马林)在声明中表示,这就如同让节点说两种不同的语言。为了让节点通信,有必要转换光子的属性,以便能高效在两种不同节点间传输所有信息。

研究人员在实验中使用激光冷却铷原子生成编码在短波长(780纳米)光子内的量子比特,并且使用设备将这个光子转换成通过光纤(1552纳米)传输非量子通信的波长,光子通过光纤被发送到隔壁实验室。

西班牙研究人员创建首个量子互联网混合连接-E安全

在另一个实验室,研究人员利用自己开发的设备将光子转换成606纳米的波长,以便少量镨离子注入的晶体能接收这个光子。

量子比特能在这个晶体中持续2.5微秒,这个时间并不长,但足以获取量子比特,几乎不会造成信息丢失。研究人员Hugues de Riedmatten表示,这类晶体可用来长时间存储量子比特,未来可能会达到1分钟。

这支研究团队取得的成功使得量子网络发展向前迈进一大步。这不仅证明了两种不同类型的量子节点之间的兼容性,还证明可使用现有的光纤电缆传输两种量子节点之间的量子信息。

未来研究方向

研究人员表示,下一步是创建更大型的量子网络:包含两种以上不同的节点,并在不同节点之间传输纠缠光子。

Riedmatten指出,寻找具备所有必需功能(存储、处理等)的量子节点相当具有挑战性。结合不同系统的能力可以解决该问题,这将是量子互联网的重大进步。

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