研究人员使用光实现量子通信的里程碑

如今，在科学领域，没有什么术语比“量子”更普遍了。

基于众所周知的、怪异的量子力学定律的技术，有望使计算机比当今最快的超级计算机更强大，有望具有无可破解的安全通信、以及前所未有的传感能力，这是进一步的科学发现所必需的。

但是，要使这些技术成为现实，研究人员必须开发有效的量子通信网络，这样的网络连接量子设备同时保留用于传输信息的粒子的微妙状态。

橡树岭国家实验室和普渡大学的一组研究人员通过利用光的频率或颜色朝着这一目标迈出了重要的一步。这样的功能可以为更加实用和更大规模的量子网络做出贡献，而这些网络将比我们今天拥有的经典网络更加强大和安全。

图中展示的是任意频点量子位状态的球面上的每个点，都对应一个唯一的量子状态，灰色部分表示测量结果。放大视图显示了在其理想目标（蓝点）旁边绘制的三个量子态的示例。

具体来说，该研究团队正在利用光的性质和量子力学的原理来传递信息，从而使网络本身成为光子量子信息处理器。

首先，光子以光速传播，从而使信息能够尽快从A点到达B点。光子通常不会相互影响，也不会与周围环境发生相互作用，从而确保信息在传输过程中不会被扰乱或破坏。“实际上，光是长距离量子通信的唯一可行选择，” 美国橡树岭国家实验室项目负责人约瑟夫·卢肯斯（Joseph M. Lukens）说。他在《物理评论快报》中详细介绍了该团队的研究成果。

该研究团队首次利用光产生频点量子位或单个光子同时驻留在两个不同的频率中，以首次展示频率编码中的完全任意通信操作。尽管频率编码和纠缠出现在许多系统中并且自然地与光纤兼容，但是传统上已经证明了使用这些现象来执行数据操作和处理操作是困难的。但是，对于量子通信中的基本联网功能以及扩展的大量量子技术的实现，都需要进行此类操作。

研究人员使用所开发的一种称为量子频率处理器（ORNL）的技术，证明了广泛适用的量子门或执行量子通信协议所需的逻辑运算。在这些协议中，研究人员需要能够以用户定义的方式操纵光子，这通常是响应于对网络中其他位置的粒子进行的测量。传统计算机和通信技术中使用的传统操作，例如与门（AND）和或门（OR），分别在数字0和1上进行操作，而量子门在0和1的同时叠加上进行操作，从而在量子信息通过时保持受保护的状态，实现真正的量子网络。

通过研究证明，他们的配置可以将任何量子位状态转换为不同的量子位状态，该团队演示了实用的信息传输。卢肯斯说：“如果可以进行任意操作，则可以进行任何基本的量子通信协议，例如基于频率转换的路由。”

他们的系统是许多不同的系统之一，但是考虑到结果的应用，是最有希望的系统之一。例如，该团队使用其自定义配置成功展示了高达98％的保真度（一种定量的准确性度量）。

鲁肯斯说，尽管频点量子网络在历史上一直很难控制，但该团队的工具却使其更加可控。不仅如此，它是自然产生的系统，可以很好地转换为现有的光纤。实际上，该系统是使用经典的电信组件（例如相位调制器）设计的。这些因素使该技术更便宜，并且对希望应用该技术的行业更具吸引力。此外，这种多米诺效应同时推动了经典通信和量子通信的发展，从而推进了研究团队的方法，并可能使大规模量子网络更接近现实。

他们的下一个实验将涉及在光子集成电路上实现其系统。卢肯斯说：“有很多无法预料的应用。” “频率编码是由许多不同的系统自然产生的，并且非常适合光纤，因此潜在的应用空间应该是广阔的。”

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