【量子纠缠意味着什么】清华量子纠缠实现突破意味着什么?

2019-11-25 - 量子纠缠

未来不仅通过量子接口可以实现量子通信和量子互联网的联网,而且通信和网速将极大提高。

近日,清华大学交叉信息研究院段路明教授研究团队宣布其在量子信息领域取得重要进展,首次实现25个量子接口之间的量子纠缠。该成果的研究论文已在4月20日出刊的美国《科学》杂志子刊《科学进展》刊载。

【量子纠缠意味着什么】清华量子纠缠实现突破意味着什么?
【量子纠缠意味着什么】清华量子纠缠实现突破意味着什么?

这项成果的发布意味着什么呢?

即有了更高效率的量子接口,它用于实现量子信息在传递粒子(光子)和存储粒子(通常为原子)之间相互转化,是连接量子存储器或量子计算单元与光量子通信通道间的重要界面。因此,量子接口也是量子通信(领域)中的一个基本元器件。

【量子纠缠意味着什么】清华量子纠缠实现突破意味着什么?
【量子纠缠意味着什么】清华量子纠缠实现突破意味着什么?

量子是指能表现出某物质或物理量特性的最小单元。粒子又是指能够以自由状态存在的最小物质组成部分。因此,物理学上把由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象称为量子纠缠。

纠缠就是最小的物质,如粒子(光子)、原子之间的接触、叠加、缠绕,也即信息传递和交流,正因为有这样的交流,可以让量子通信、量子计算机、量子互联网得以实现。

瞬时转移有了“接口”

量子纠缠需要量子接口,但是首先要保证不同类型的粒子可以互相纠缠在一起,才能进行量子信息的传播,而且量子接口越大,就越能接入更多信息并进行量子交流,从而扩大量子网络的规模。

段路明团队通过光束复分技术,通过实验首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠,比此前最高纪录的4个量子接口之间的纠缠提高了约6倍。这也意味着未来不仅通过量子接口可以实现量子通信和量子互联网的联网,而且通信和网速将极大提高。

从人类通信史来看,从电话线上网(尽管是宽带)到光纤已经是一个飞跃,速度和流量也只提升数百倍而已。但如果用上量子通信,传输效率就要比5G的光纤信道高出上亿乃至万亿倍。

量子通信当然需要介质,光束或光纤就是传递粒子的重要介质,在所有的信息载体里,光子跑得最快,所以光束既是信息载体,又是信息本身。研究表明,高速激光或许是量子通信更好的介质,采用高速激光通信技术可以完成高速数据传输,同时突破高分辨率卫星成像数据传输的有限瓶颈,因而能够形成“瞬时”传输的量子网络。

2017年6月,中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星进行实验,在1200千米的通信距离上,以卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300kb的安全密钥,平均成码率可达1.1kb/s。这个技术称为星地双向量子纠缠分发,其传输效率比目前同等距离地面光纤信道高出20个数量级,即提升万亿亿倍。

这是一个什么概念呢?大约就是一个人步行到火星与光速到达火星之间的差距。或者说,现在的光纤互联网在1秒内下载一部高清电影,而量子互联网可以在1秒内下载亿万部高清电影。

为量子网络建立前提

量子接口不仅要让信息传递快,还要准确。段路明团队研发的量子接口就是要保证对应的粒子进行准确对接。因为,任何量子粒子都可通过相互作用产生纠缠,同时粒子与外界很多环境粒子也会产生纠缠,从而导致噪声产生。

在过去,粒子与外界环境粒子产生的纠缠被认为是不可控的,现在有了量子接口,就可以精准对接,形成纯净可控的纠缠,建立量子信号的单线联系,互不干扰。因此,这是量子互联网和量子通信的一个基础。

建立量子互联网的另一个基础是构建量子网络。除了利用光束或激光进行量子信息传输外,也有一些科学家在实验建立混合型量子网络。

不过,建立纯粹的量子网络具有更充足的理由,因为这是一种保密性更强的互联网。量子通信的特点是,不可分割、复制、测量,因而不易被破译窃听。不可分割使得窃听者无法将量子分割进行测量。即便可以强行测量也会留下痕迹,改变量子的状态,使窃听行为暴露。而且量子本身有不确定性,即便窃听者截取了量子,也不能精准复原正确的量子状态,得到的是错误信息。因此,量子网络可以让用户在安全保密的状态下通信。

有了量子网络和连接千家万户的量子接口,量子互联网才能实现。因此,现在的研究为量子通信进一步夯实了基础。(学者 张田勘)

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