量子信息传输再突破,可将量子信号维持在几十纳米内!

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文/陈根

近年来,随着量子力学领域的不断突破,量子计算受到了越来越多的关注。量子计算作为一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,它与现有计算模式完全不同。

在经典计算机中,信息的基本单位是位(Bit)。所有这些计算机所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式,以及 0s 和 1s 的简单操作。

与传统计算机由比特构成的方式类似,量子计算机由量子比特(quantum bits)或量子位(qubits)构成,一个量子比特对应一个状态(state)。但是,比特的状态是一个数字(0或1),而量子比特的状态是一个向量。更具体地说,量子位的状态是二维向量空间中的向量。这个向量空间称为状态空间。

经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。于是,量子计算借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加。即不仅包含0和1,还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。

陈根:光线开展量子通信,创下新距离记录

此外,加上量子纠缠的特性,量子计算相较于当前使用最强算法的经典计算机,理论上将在一些具体问题上有更快的处理速度和更强的处理能力。而利用量子力学的反直觉特性制造出的量子计算机,可以达成任何机器都无法实现的运算壮举。

如今,量子计算机开始展示其真正实力,诸如Google和IBM之类的计算巨头,连同众多小规模竞争对手,开始了量子硬件的建造与完善。去年,国产九章量子计算机在 200 秒内完成了一项普通超算需要 25 亿年才能完成的计算。

但是,量子计算的更大挑战,在于量子比特对于环境干扰相当敏感。就算是极其微小温度变化或波动,都可能对数据有效性造成影响,意味着长距离的量子信息传输也相当困难。现在,东芝研究团队则称,他们通过光纤开展的量子通信创下了新距离纪录。

实验成功的关键,在于其开发的所谓“双波段稳定”新技术。在量子比特的基础上,它还会发送两个光参考信号。这些信号被编码为弱光脉冲的相位延迟,其中第一个参考信号的波长,旨在抵消环境的扰动。而第二个参考信号的工作波长,则与量子比特本身相同,以用于精确控制光的相位。

基于此,东芝团队得以将量子信号维持在几十纳米以内,反之又让它们能够在 600 公里的光纤上传输数据——达到了此前纪录的六倍。尽管这并不是当前已经取得的最远距离的量子信息传输纪录,因为卫星传输依然凭借1200 公里(746 英里)的优势高居榜首,但量子互联网仍需与卫星 / 光线网络混合使用。

这一进展或将进一步扩展了量子链路的最大跨度,有助于实现跨城市、国家、甚至大陆的传输,而无需使用受信任的中间节点。其研究已发表在近日出版的《Nature Photonics》期刊上。

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