在量子通信领域，量子比特传输的脆弱性类似于儿童电话游戏中的信息扭曲。科学家们正在利用钻石中的缺陷来建造量子中继器。这些中继器弥合了量子系统之间的差距，允许更可靠的数据传输，潜在的应用范围从人工智能到卫星导航。
这种技术用于存储和传输量子信息墨水可以为可扩展的量子网络提供基础。
流行的儿童电话游戏是基于一个简单的前提:开始的玩家在下一个玩家的耳朵里低语一个消息。然后，第二个玩家将消息传递给第三个人，以此类推，直到消息到达最后的接收者，后者将消息大声地转发给小组。通常，第一个人说的话和最后一个人听到的话是可笑的不同;信息在这条链上被弄乱了。
这种从起点到终点的传输误差在量子世界中也很常见。当量子信息比特或量子位(传统数字电子学中经典比特的类似物)通过信道时，它们的量子态可能会退化或完全丢失。这种退相干在越来越长的距离上尤其常见，因为量子比特——无论是以光(光子)、电子、原子或其他形式存在的粒子——本质上是脆弱的，受量子物理定律或非常小物体的物理定律的支配。
在如此微小的尺度上(纳米尺度)，即使与环境发生轻微的相互作用，也会导致量子位失去量子特性，并改变它们存储的信息。就像电话游戏一样，原始信息和收到的信息可能不一样。
一个封装的原型量子中继器模块(中)，安装在镀金铜组件上，连接到印刷电路板(绿色)，具有8个光学存储器，将量子比特存储在钻石中的硅原子中。来源:格伦·库珀
量子网络的挑战和潜力
“量子网络的一大挑战是如何在多个量子系统之间有效地移动这些微妙的量子态，”麻省理工学院林肯实验室光学和量子通信技术小组(通信系统研发领域的一部分)的负责人斯科特·汉密尔顿说。“这是我们小组正在积极探索的问题。”
正如汉密尔顿解释的那样，今天的量子计算芯片大约包含100个量子比特。但是，要制造一台功能齐全的量子计算机，至少需要数千(如果不是数十亿的话)个量子比特。量子计算机有望为从人工智能、网络安全到医疗保健和制造业的各种应用释放前所未有的计算能力。将这些芯片连接起来制造一台大型计算机可能是一条可行的前进道路。
在传感方面，连接量子传感器以共享量子信息可能会实现超越单个传感器的新功能和性能提升。例如，多个传感器之间的共享量子参考可以用来更精确地定位射频发射源。
林肯实验室量子网络团队成员(从左至右):John Cummings, Ryan Murphy, David Starling, P. Ben Dixon, Katia Shtyrkova, W. John Nowak, Scott Hamilton和Eric Bersin。来源:格伦·库珀
空间和国防机构也有兴趣将远距离分离的量子传感器互连起来，用于卫星之间的定位、导航和定时系统或原子钟网络。在通信方面，量子卫星可以用作连接本地地面站的量子网络架构的一部分，从而创建一个真正的全球量子互联网。
然而，量子系统不能与现有技术互联。当今用于通过网络传输信息和连接设备的通信系统依赖于测量比特的检测器和复制比特的放大器。这些技术不适用于量子网络，因为在不破坏量子态的情况下，无法测量或复制量子位;量子比特存在于0和1之间的状态叠加中，而经典比特则处于0(关)或1(开)的一组状态。
因此，研究人员一直在努力开发经典放大器的量子等价物，以克服传输和互连损失。这些对等物被称为量子中继器，它们的工作原理与放大器相似，将传输距离划分为更小、更易于管理的段，以减少损失。
量子中继器:量子通信的未来
“量子中继器是量子网络在有损链路上成功发送信息的关键技术，”汉密尔顿说。“但目前还没有人制造出功能齐全的量子中继器。”
复杂性在于量子中继器的运作方式。量子中继器的工作原理是利用一种叫做纠缠的奇怪量子现象，而不是像经典中继器那样使用简单的“复制和粘贴”。在量子纠缠中，无论两个粒子之间的距离如何，它们在空间上都是紧密相连和相关的。如果你知道纠缠对中一个粒子的状态，那么你就会自动知道另一个粒子的状态。
纠缠的量子比特可以作为量子隐形传态的资源，在这种传态中，量子信息在不移动实际粒子的情况下在遥远的系统之间发送;信息在一个位置消失，在另一个位置重新出现。隐形传态跳过了沿着光纤电缆的物理旅程，因此消除了相关的信息丢失风险。量子中继器将一切联系在一起:它们使量子纠缠的端到端产生成为可能，并最终实现量子隐形传态，即量子比特的端到端传输。
本·迪克森(Ben Dixon)在低温显微镜系统中测试林肯实验室培育的钻石(发出绿光)，该系统可以识别和表征钻石中的单个硅空位。来源:格伦·库珀
光学和量子通信技术小组的研究员本·迪克森解释了这个过程是如何工作的:“首先，你需要产生特定纠缠的量子比特对(称为贝尔态)，并通过网络链路将它们以不同的方向传输到两个独立的量子中继器，后者捕获并存储这些量子比特。
“然后，其中一个量子中继器在传输和存储的量子比特和我们想要通过链路发送的任意量子比特之间进行两个量子比特的测量，以便将远程量子系统互连。测量结果传送至链路另一端的量子中继器;中继器利用这些结果将存储的贝尔态量子比特转换为任意量子比特。最后，中继器可以将任意量子比特发送到量子系统中，从而连接两个远程量子系统。
量子存储器的进展
为了保持纠缠态，量子中继器需要一种存储它们的方法——本质上是一种存储器。2020年，哈佛大学的合作者展示了在钻石中的单个硅原子(被困在去除两个碳原子留下的两个空白空间之间)中持有一个量子位。金刚石中的硅“空位”中心是一种有吸引力的量子存储器选择。
像其他单独的电子一样，硅原子上最外层的电子(价电子)可以指向上或指向下，类似于有北极和南极的条形磁铁。电子指向的方向被称为它的自旋，两种可能的自旋状态，自旋向上或自旋向下，类似于计算机用来表示、处理和存储信息的1和0。
这张谷歌地球图像显示了连接马萨诸塞州列克星敦林肯实验室的电信网络光纤;剑桥东部的麻省理工学院;以及剑桥市中心的哈佛大学。来源:Eric Bersin
此外，硅的价电子可以用可见光操纵，以转移和存储电子自旋态的光子量子位元。哈佛大学的研究人员正是这样做的;他们在一个纳米光子光学腔的包围下设计了一个光波导(一种将光引导到期望方向的结构)，使光子与硅原子发生强烈的相互作用，并将其量子态传递给该原子。
麻省理工学院的合作者随后展示了这种基本功能可以在多个波导上工作;他们绘制了8个波导的图案，并成功地在它们内部产生了硅空位。
此后，林肯实验室一直在应用量子工程来创建一个量子存储模块，该模块配备了作为量子中继器运行的额外功能。这项工程工作包括现场定制钻石生长(与量子信息和集成纳米系统组);开发可扩展的硅纳米光子介子(一种融合光子和电子功能的芯片)来控制硅空位量子比特;将组件集成和封装成一个系统，可以冷却到长期记忆存储所需的低温。目前的系统有两个存储模块，每个模块可以容纳8个光学量子比特。
实际测试及结果
为了测试这些技术，该团队一直在利用实验室租用的光纤试验台。这个试验台有一个50公里长的电信网络光纤，目前连接三个节点:林肯实验室到麻省理工学院校园，麻省理工学院校园到哈佛大学。当地的工业合作伙伴也可以利用这种光纤作为波士顿地区量子网络(BARQNET)的一部分。
汉密尔顿说:“我们的目标是把我们的学术合作伙伴所做的最先进的研究成果转化为我们可以在实验室之外通过真正的渠道进行测试的东西。”“所有这些基础设施对于进行基线实验至关重要，以便在光纤系统上进行纠缠，并在各方之间移动。”
利用这个测试平台，该团队与麻省理工学院和哈佛大学的研究人员合作，成为世界上第一个在部署的电信光纤上演示与纳米光子量子存储器的量子相互作用的团队。利用位于哈佛大学的量子中继器，他们从实验室发送带有量子态编码的光子，穿过光纤，并将它们与捕获并存储传输量子态的硅空位量子存储器连接。他们测量了硅原子上的电子，以确定量子态转移到硅原子的自旋向上或自旋向下位置的程度。
迪克森说:“我们研究了我们的试验台在距离、效率(损耗误差)、保真度和可扩展性等相关量子中继器指标上的性能，发现与世界上其他领先的技术相比，我们在所有这些指标上都取得了最好或接近最好的成绩。”“我们的距离比任何人都要远;我们的效率是不错的，我们认为我们可以通过优化我们的一些测试平台组件来进一步提高它;从存储器中读出的量子位与我们发送的量子位匹配，保真度为87.5%;钻石具有固有的光刻图案可扩展性，你可以想象在一个小芯片上放置数千个量子比特。”
林肯实验室的研究小组目前正专注于在每个节点上组合多个量子存储器，并将其他节点整合到量子网络测试平台中。这些进展将使该团队能够在系统级别探索量子网络协议。他们还期待着哈佛大学和麻省理工学院的合作者正在进行的材料科学研究。这些研究可能会发现金刚石中其他类型的原子能够在稍微温暖的温度下工作，以进行更实际的操作。
纳米光子量子存储模块获得了2023年度R&D 100大奖。
本文来自作者[奇杭]投稿，不代表文学号立场，如若转载，请注明出处：https://8ucq.com/wenxuehao/10654.html
评论列表（4条）
我是文学号的签约作者“奇杭”！
希望本篇文章《麻省理工学院的钻石光辉：量子中继器革新网络》能对你有所帮助！
本站[文学号]内容主要涵盖：文学号, 名著深析, 创作秘笈, 经典文脉, 诗词鉴赏, 作家故事, 每日文萃, 写作指南, 文本细读, 文学灯塔, 经典重释
本文概览：˂pclass="178b-aa52-7d22-a734 description"˃˂pclass="aa52-7d22-a734-98a9 description"˃在量子通信领域，量子比特传...