分享

本月初,芝加哥的一组研究实验室公开从勒蒙特(Lemont)到芝加哥市,到海德公园(Hyde Park)附近的延伸,124英里的量子网络。该总长度解释了新添加的35英里长的光纤,该光纤最近与89英里的量子环连接了美国能源部的Argonne国家实验室于2020年推出,链接来自芝加哥量子交易所和芝加哥大学的实验室。

构建这样的网络的意图是使研究人员能够尝试新型的量子通信,安全协议和算法,以实现前进的目标量子互联网(看起来很像是的早期版本古典互联网)。目前,东芝正在使用它来测试他们的分布式量子加密密钥在经历诸如噪声,天气和温度波动之类的因素的环境中,以了解这种方法的坚固性以及可能出现的潜在问题。

研究人员能够以80,000个量子位(或Qubits,在下面的内容上)的速度以80,000个量子的速度发送信息。这些实验键在未来可能很有用强大的量子计算机威胁要打破经典加密,这是一个已突出的问题国会议员

随着较大的量子计算机开始出现,研究人员正在积极探索使用量子物理定律来建立可以防篡改和防盗的通信渠道的方法。这种类型的通信通道也可能成为量子设备“接线”的一种方法。

“假设您有一台高达1,000 QUAT的量子计算机。在这里,您有一台1,000 QUAT的计算机。您想以我们今天制造簇来构建超级计算机的方式将它们连接在一起,但是您不能仅仅使用经典电线将计算机连接到电脑。您需要一条量子电线来保持这两台机器的量子状态。“因此,量子通信频道是一种做到这一点的方式 - 基本上为两个量子电路互相交谈而没有进入古典世界。”

芝加哥现在拥有一个124英里的量子网络。这就是它的目的。
当前量子网络的说明。芝加哥大学

探测量子通信的可能性

因为这是量子世界,所以事情的工作方式有所不同。首先,要表现出量子品质的物体,它们必须很冷或很小。芝加哥选择了小。

Awschalom说:“当今的许多市售量子机通常是超导体,因此它们的温度必须非常低。”“量子通信使用光子,光的极化编码信息。”这意味着网络可以在室温下操作。

使用光子意味着它们还可以使用当今经典通信流过的光纤。但这是问题开始出现的地方。光纤由玻璃的细链制成,玻璃具有缺陷。当单个光子或光脉冲向下传播时,它可以顺利进行一点,但是随着时间和距离,信号的幅度会缩小,因为光散射出杂质。对于古典互联网,解决方案是中继器。这些是每50英里左右放置的拇指大小的设备,以扩大信号并将其发送。

量子世界有棘手的规则。与经典位不同,量子位(Qubits)不是0或1。它们是两者的叠加,这意味着它们可以同时为0、1或两者。您可能会看到一个被描绘成一个箭头的Qubit,其中心从其中心散发出箭头。您无法复制量子状态(请参阅无粘合定理),看着它或观察它从叠加中拉出,因此您可以摧毁量子。(这带来的优势是它使量子链接防篡改)。

[有关的:NASA正在太空推出新的量子纠缠实验这是给予的

量子信号仍然可以穿过城市中的距离,而无需中继器。但是,对于未来,有一些想法可以扩展其范围。一种是通过空气到卫星,然后回去(这就是什么中国的研究人员正在做)。但是在空气中,光线也可以被水分吸收,许多光子不会使它回到地球(NASA试图看看他们是否可以提高稳定性纠缠在太空中)。使用光纤,您可以调整信号,并且可以看到该信号的位置,并且可以同时发送多个信号频率。另外,您可以利用现有的基础架构。Awschalom想象,未来的量子网络将利用纤维和卫星通信,也许是短距离的纤维,而卫星则具有更长的距离。

另一个想法是采用称为纠缠交换的技巧。这是不同节点发挥作用的地方(芝加哥的网络目前有六个节点)。节点不提及带有数百个Qubits的Gargantuan量子计算机。在大多数情况下,它们是一种量子内存,它将其比作很小的,简单的量子计算机。您可以输入信息,可以将其取出。

“假设我几乎无法将我的[量子]状态送给您。您想将其发送给其他位置的其他人。但是我们没有中继器。”他说。“您可能能够做的是在不查看信息的情况下获取纠缠的信息,将其放入内存中,然后您可以将其换成其他东西。”

量子键的工作方式

创建用于加密信息的量子键是通过纠缠量量子通信的实际应用。纠缠的颗粒的行为就像是连接的,无论它们是多远的。这意味着,如果您看一个粒子,它将改变另一个粒子,如果两者都将其测量相关。建立纠缠,分配纠缠状态并在距离和时间上保持它后,您可以使用该属性即时传达信息。

像密码一样可用于信息的经典密钥是从算法生成以加密信息并使其安全的。这些算法通常包含一个数学函数,可以轻松地朝一个方向求解,但是很难(尽管不是不可能)反向工程师。

Awschalom说:“实际上很难制作防篡改的钥匙,您不能向后工作并弄清楚如何生成钥匙,或者很难阻止人们复制钥匙。”“而且您不知道是否有人复制它。”

[有关的:IBM的巨大“ Kookaburra”量子处理器可能会在2025年降落这是给予的

量子密钥是通过量子力学生成的,并且在发件人和受体之间分布的一对键通过量子纠缠密切相关。在芝加哥实验中,量子键是通过对其性质进行调整(通过偏振方向等因素)进行编码的光子发送的。没有人可以在不破坏量子信息的情况下复制或拦截钥匙。

量子键可以由一串量子位组成。“量子密钥是基础状态的函数。您有一个坐标系统可以阅读它。” Awschalom解释说。“您的'bit'和我的'bit'是相关的。因此,它与经典钥匙有很大不同。如果有人争夺您的钥匙,它将扰乱我的钥匙。我也可以确保根据我收到钥匙的方式收到了它。”

新技术的测试床

量子场尽管有所有炒作,但仍处于早期阶段。这意味着研究人员不确定什么会很好地工作,什么不是。该网络将如何探讨这种歧义的部分原因是,芝加哥各个不同实验室的不同节点都在实验不同的策略。“例如,现在我们有一个冷原子实验室作为节点之一,因此您实际上可以获取量子通信信息,并将其放入一个简单的原子中,然后提取它。” Awschalom说。他的实验室是网络中的另一个节点,是集成从周期表中的磁原子来存储并发送量子信息。另一个实验室正在使用超导体。他说:“每个节点旨在扩大不同的技术思想。”

他们还计划向外部研究人员和可以进来,插入和测试其原型设备和探测器的公司开放该网络,并运行它们。

量子键只是分布式纠缠的可能性时的开始。Awschalom说:“当您考虑以不同的方式分发信息时,您可以做更多的事情。”世界杯预选赛比赛直播“今天,我们主要使用古典传感器来探测世界,但世界是量子机械的。它确实提出了一个问题 - 我们没有看到什么,因为我们从未看过?在这些传感技术和将传感器融合在一起的一种方式之间,我很乐观我们将学习很多东西。”

还有更多阅读