研究人員在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中達(dá)到量子網(wǎng)絡(luò)里程碑

來自美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和普渡大學(xué)的一個團(tuán)隊(duì)開發(fā)并展示了一種新穎的、功能齊全的量子局域網(wǎng)(QLAN)，能夠?qū)崟r調(diào)整與 ORNL 的地理隔離系統(tǒng)共享的信息。糾纏光子穿過光纖。

該網(wǎng)絡(luò)舉例說明了專家如何以實(shí)際規(guī)模例行連接量子計算機(jī)和傳感器，從而在邁向備受期待的量子互聯(lián)網(wǎng)的道路上實(shí)現(xiàn)這些下一代技術(shù)的全部潛力。該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果發(fā)表在PRX Quantum 上，標(biāo)志著多年相關(guān)研究的高潮。

連接經(jīng)典計算設(shè)備的局域網(wǎng)并不是什么新鮮事，QLAN 已在桌面研究中成功測試。迄今為止，量子密鑰分發(fā)一直是該領(lǐng)域量子通信最常見的例子，但這個過程是有限的，因?yàn)樗辉谡军c(diǎn)之間建立安全，而不是糾纏。

ORNL 量子信息科學(xué)部門負(fù)責(zé)人尼古拉斯·彼得斯 (Nicholas Peters) 表示：“我們正試圖通過了解糾纏分布帶寬等關(guān)鍵功能來構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)。”“我們的目標(biāo)是開發(fā)演示量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的基本工具和構(gòu)建模塊，以便它們可以部署在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中以實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢。”

當(dāng)兩個光子——光粒子——配對或糾纏在一起時，無論它們之間的物理距離如何，它們都表現(xiàn)出比任何經(jīng)典方法都強(qiáng)的量子相關(guān)性。這些交互啟用了只能使用量子資源才能實(shí)現(xiàn)的違反直覺的量子通信協(xié)議。

一種這樣的協(xié)議，遠(yuǎn)程狀態(tài)準(zhǔn)備，利用糾纏和經(jīng)典通信通過測量糾纏光子對的一半并將另一半有效地轉(zhuǎn)換為首選量子態(tài)來編碼信息。彼得斯于 2005 年在獲得物理學(xué)博士學(xué)位的同時領(lǐng)導(dǎo)了遠(yuǎn)程狀態(tài)準(zhǔn)備的第一個一般實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)在 QLAN 中的所有配對鏈路上應(yīng)用了這種技術(shù)——這是以前在網(wǎng)絡(luò)上沒有完成的壯舉——并展示了基于糾纏的量子通信的可擴(kuò)展性。

這種方法允許團(tuán)隊(duì)將三個遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)連接在一起，稱為“愛麗絲”、“鮑勃”和“查理”——這些名字通常用于可以通過量子傳輸進(jìn)行通信的虛構(gòu)人物——位于三個不同的研究實(shí)驗(yàn)室，位于三個不同的建筑中。 ORNL的校園。從包含 Alice 和光子源的實(shí)驗(yàn)室，光子通過 ORNL 現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施將糾纏分布到 Bob 和 Charlie。

量子網(wǎng)絡(luò)與放大器和其他經(jīng)典信號增強(qiáng)資源不兼容，這會干擾糾纏光子共享的量子相關(guān)性?？紤]到這個潛在的缺點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)采用了靈活的網(wǎng)格帶寬配置，它使用波長選擇開關(guān)來為網(wǎng)絡(luò)用戶分配和重新分配量子資源，而無需斷開 QLAN。這種技術(shù)提供了一種內(nèi)置的容錯能力，通過這種技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以通過將流量重新路由到其他區(qū)域來響應(yīng)意外事件，例如光纖斷裂，而不會中斷網(wǎng)絡(luò)速度或損害安全協(xié)議。

“由于網(wǎng)絡(luò)中的需求可能會隨著時間的推移或不同的配置而發(fā)生變化，因此您不希望擁有一個始終為特定用戶分配相同部分的固定波長信道系統(tǒng)，”Wigner 研究員兼研究科學(xué)家 Joseph Lukens 說。 ORNL 以及該團(tuán)隊(duì)的電氣工程專家。“相反，您希望能夠根據(jù)用戶的需要靈活地為網(wǎng)絡(luò)上的用戶提供更多或更少的帶寬。”

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