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全球量子通信 不再是传说

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没有方便和有效地操作量子信息的内存系统,就谈不上量子计算机或量子加密技术的普及。但最近华沙大学物理系的研究人员,在普及量子技术的工作方面取得了进展。他们使用极其简单的结构和杰出的参数,建立起一个原子内存。

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发绿光的即为原子内存,能够用来存储通信用的量子信息

数年来,主要在实验里进行的量子技术一直在缓慢的推进,并没有真正的得到更广泛的应用。比如量子加密,当前正在被军队和金融机构引进。

由于缺乏满足需要的内存系统,处理量子信息并进行远距离发送一直都受到极大的限制。现在,华沙大学物理系的研究人员开发出了一个解决方案。他们基于简单可靠的结构,建立了一个全功能的原子内存,含有大量的潜在应用,包括通信。

“建立量子内存最大的难度在于精确的选择进行存储的系统参数,以有效的存储和读取量子信息。我们还发现了一个创新的办法,在检测时降低噪声,”研究组的Wojciech Wasilewski博士表示。

传统的光纤通信使用激光发送信息,随着距离的增加光信号会逐渐衰减。因此每隔100公里左右,就需要使用激光放大器来增加光子,把只有少量光子的弱信号转换成包含大量光子的强信号。

然而在量子通信中,重要的是单个光子和它们的量子状态。在这种情况下,信号放大器不仅要增加光子的数量,更要保留光子原始的量子状态不受干扰。不幸的是,量 子信息无法在毫不受损的情况下复制,任何对光子的量子状态的操作都将不可避免的影响它的初始状态。正是量子克隆的不可能性,成为量子信息的传输的重大桎梏。

2001年,一组因斯布鲁克大学和哈佛大学的物理学家提出了DLCZ量 子传输协议,该协议使长距离发送量子信息成为可能。在此协议下,当量子信息到达每个传输通道的中继点时,会在中继点存储一段时间,这段时间足以保证它能够 成功的传送到下一个节点。这个保证是通过正常的信号来确认的。因此这个协议的关键就是,在足够的时间内存储量子信息的量子内存。

“直到现在,量子内存还需要高度精密的实验室设备和复杂的技术,从而把系统降温到接近绝对零度。但我们的原子内存设备已经能够在远高于绝对零度的环境下工作,这种温度范围则要容易维持的多,”研究组人员Radek Chrapkiewicz表示。

量子内存的主要原材料是一个2.5厘米直径10厘米长度的玻璃管,管壁上涂着铷(一种制造光电管的金属元素),管中用惰性气体填充。当给玻璃管温和的加热 时,内壁上的铷释放在管内,管内的惰性气体就会限制铷原子的运动从而达到降噪的目的。当量子信息存储在这样的内存中,激光束的光子就会把量子状态“打”到 铷原子上。同时,发送另外的光子。检测到这些光子时,即可确认信息已经被存储。然后在另一次经特别选择的激光脉冲发送时,再把存储在内存中的量子信息取出。

为了记录和取出量子信息,研究人员使用了光过滤(专利申请中)的先进方法和一台他们自行设计的摄像机。这台摄像机能够检测单个光子,具备超低降噪功能和数十倍于现代摄像机的速度。

“存储在内存中的量子信息能够稳定在几毫秒到几十毫秒之间。你也许会问,如此短的存储时间能有什么用?但是你要记住,在通信状态下,毫秒级的时间已经足够发送几次的量子信号给下一个中继点了,”研究人员Michal Dabrowski表示。

华沙大学的研究人员通过熟练地控制量子光学现象,卓有成效的降低了量子信号中的噪音。而单个原子的量子内存单元又能够以不同的空间模式进行存储,也就意味着更高的存储空间。在实际量子通信应用中,一个这样的内存单元能够同时充当数条光纤电缆的缓冲存储。

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