研究人員找到並解決讓量子網際網路實際可行的「缺失環節」

作者 | 發布日期 2020 年 03 月 24 日 16:00 | 分類 量子電腦 , 電腦 Telegram share ! follow us in feedly


量子網際網路(Quantum Internet)可發送無法破解的訊息,提高 GPS 的精準度,並實現基於雲端的量子運算。20 多年來,因為無法達到遠距無損地發送量子訊號的要求,這使創建量子網路成為遙不可及的夢想。現在哈佛大學和麻省理工學院(MIT)研究人員找到一種透過原型量子節點(Prototype Quantum Node)糾正訊號丟失的方法,節點可以捕獲、儲存和糾纏量子資訊。這個研究視為邁向實用量子網際網路的「缺失環節」(Missing Link),也是遠距量子網路發展的重要一步。

「這個實證展示是可擴展量子網路最遠可能距離,並可能以任何現有技術都無法達成的方式來達成許多新應用的概念性突破,」哈佛大學 George Vasmer Leverett 物理學教授暨哈佛量子計畫(Harvard Quantum Initiative,HQI)聯合主任 Mikhail Lukin 表示:「這是 20 多年來量子科學和工程界追求目標的一次重大實現。」研究已發表在《自然》(Nature)期刊。

透過量子中繼器打造可遠距發送訊息的糾纏粒子網路

在傳統網路,如果紐約 A 小姐想發送一則訊息給加州 B 先生,訊息會從西岸到東岸沿直線傳送。過程中訊號會通過中繼器,並在其中讀取、放大和糾正錯誤。整個過程任何位置點都容易受攻擊。

但如果 A 小姐想發送量子訊息,那過程會有很大不同。量子網路是透過光的量子粒子(個別光子 Photon)遠距傳送光的量子態(Quantum State)。這種網路具有傳統系統沒有的技巧:糾纏(Entanglement)。A 小姐可使用糾纏發送訊息給 B 先生,完全不必擔心被竊聽。此概念是量子密碼學應用的基礎,量子物理學定律可保證安全性。

然而,遠距量子通訊也受常見光子損耗影響,這是達成大規模量子網際網路的主要障礙之一。雖然量子通訊超安全,但卻無法透過現有傳統中繼器修復資訊遺失的問題。對此必須採用所謂量子中繼器(Quantum Repeater),透過它便能創建可發送訊息的糾纏粒子網路。

本質上,量子中繼器是種小型專用的量子電腦(QC)。在網路每個階段,量子中繼器必須能捕獲和處理若干量子位元的量子資訊以糾正錯誤,並儲存夠長時間,以便隨時發送到準備就緒的下個網路節點。到目前為止,以上理論在真實世界仍無法做到的原因有二:首先,單光子很難捕獲,其次,量子資訊出名地脆弱,這使長時間處理和儲存極具挑戰性。

透過「矽空缺色心」元件,解決單光子捕獲及長時間儲存問題

與電子工程、電腦科學及化學等領域知名專家學者有合作關係的 Lukin 實驗室,一直致力於利用某個系統完成這兩項任務,也就是鑽石晶格所謂的「矽空缺色心」(Silicon-Vacancy Color Centers)。這些中心是鑽石原子結構的微小缺陷,可吸收並輻射光線,進而讓鑽石發出鮮豔奪目的色彩。

「過去幾年,我們實驗室一直致力於理解和控制個別矽空缺色心,尤其重心會放在如何使用它們當作單光子之量子儲存元件的議題。」 Lukin 研究小組研究生 Mihir Bhaskar 表示。

研究人員將單一色心整合到奈米鑽石腔體,進而限制承載資訊的光子,迫使它們與單一色心相互作用。然後,他們將元件放在一台溫度接近絕對零度的稀釋冷凍機(Dilution Refrigerator)中,然後透過光纖電纜將單光子發送到冷凍機,最後色心會有效捕抓到這些單光子。

此元件可儲存量子資訊達幾毫秒之久(這足以讓資訊傳輸好幾公千公里遠了)。嵌入腔體周圍的電極可傳送控制訊號,以便處理和保存儲存在記憶體的資訊。

「此元件結合量子中繼器最重要的三大要素:夠持久的儲存時間,有效捕獲光子資訊的能力,以及本地端處理的方式。」奈米級光學實驗室(the Laboratory for Nanoscale Optics)研究生 Bart Machielse 指出:「其中每個挑戰都個別解決了,但沒有一個元件能同時解決這 3 個挑戰。」

「目前,透過將量子記憶體部署在真實城市光纖鏈路,我們得以擴大這項研究的應用領域,」Lukin 研究小組博士後研究人員 Ralf Riedinger 表示:「我們計劃創建量子糾纏記憶體大型網路,並探索首次量子網際網路應用的可行性。」

「這是首次系統級的展示,結合了奈米製造技術(Nanofabrication)、光子學(Photonics)及量子控制方面的主要先進研究成果,展現在使用量子中繼器節點進行資訊通訊方面的顯著量子優勢。我們期盼能開始探索使用這些技術的獨特新應用。」Lukin 表示。

(首圖來源:shutterstock)