视焦点讯！新突破！量子世界之谜，多节点量子网络研究的新发现

2022-12-12 10:11:52 来源：科普中国

在网络设计中，转向三节点系统是一个量子跃迁。

(资料图)

研究建立的网络，使用一个复杂激光系统。

通过创造世界第一的多节点量子网络，科学家们向量子互联网迈出了一步。

昆士兰科技研究中心的研究人员在系统中是由三个量子节点纠缠组成。通过量子力学的支配亚原子的幽灵定律，这是第一次超过两个量子比特，而不是多个量子比特，在量子计算中这样做计算，已作为“节点”连接在一起，或网络端点。

研究人员预计，首批量子网络将解锁大量的无法执行的计算应用程序。通过现有的经典设备，例如，更快的计算速度和改进的阴极射线照相术。

“它将允许我们连接量子计算机以进行更多计算，创造不可屏蔽的网络，并连接原子钟和望远镜和前所未有的协调水平”马蒂奥·蓬皮利说。昆士兰科技研究团队成员在荷兰代尔夫特理工大学创建了网络，并告诉现场科学。“有很多应用程序我们真的无法预见，例如可以根据算法去创建一个将以安全的方式进行选举”。

传统的计算机位在大致相同的方式上是数字信息的基本单位，量子比特是量子信息的基本单位，就像钻头一样，量子比特可以是一个一也以是一个零，在两个状态中表示两种可能。但这正是相似之处的终结，多亏了量子世界的奇异定律，量子比特可以存在于一和零态的超级位置，直到测量的那一刻，当他随机塌陷为一或零时，这种奇怪的行为是量子计算机威力的关键，因为它允许一个量子位同时执行多个计算。

将这些量子比特连接成量子网络的最大挑战是建立和维持一个称为纠缠的过程，或者阿尔伯特爱因斯坦所说的鬼魅般的超距作用。这是两个量子比特为遇合的时候，连其属性，以便任何更改在一个粒子中会引其另一个粒子的变化，即使他们相隔很远。

你可以用很多方式纠缠粒子节点。但有一种常见的方法直致通过首先纠缠静止的量子比特（形成网络节点）使用光子，或者轻粒子。在相互发散光子之前，当他们相遇时，这两个光子也会纠缠在一起充了纠缠里子比特，这将绑定两个固定的被一段距离隔开的节点。对其中一个的任何更改都会通过对另一个的及时更改来反应。

“鬼魅般的超巨作用”让科学家们通过改变粒子远处纠缠伙伴的状态来改变粒子的状态。跨越大差距有效传递信息，但要保持纠缠状态是一个艰巨的任务，特别是当纠缠系统总是处于与外界相互作用的风险中时和被称为退相干的过程破坏。

这意味着，首先，量子节点必须保持在极低的温度内部称为低温恒温器的设备，以最大限度的减少量子比特会干扰系统以外的东西的机会。第二，在他们被吸收或散射之前，纠缠中的光子不能传播很长的距离——破坏两个节点之前发送的信号。

蓬比利说 “ 这个问题与经典网络不同，你不能放大量子的信号，如果你尝试复制量子比特你就毁了原件”。提到物理学，“无克隆定理”声明不可能创建未知量子态的相同副本。“这确实限制了我们可以将量子信息送到几万公里。”如果你想去建立量子通信和世界另一边的人，你在中中间需要中季继节点。

为了解决这个问题，该团队创建了一个有三根杆子的网络，其中光子基本“通过”量子比特的纠缠，从一个外部节点到一个中间节点，中间节点有两个量子比特，另一个用来储存就餐态。一旦存储了一个外部节点和中间节点之间的纠缠，中间模式用它的备用量子比特纠缠另一个外部节点，所有这些就完成了。中间节点纠缠两个量子比特，导致外部节点的量子比特变得纠缠。

但是，在经典的“渡河迷题”上设计这种奇怪的量子力学，是研究人员遇到的最小麻烦，是当然可以的，但在想法上不太棘手。制造纠缠的光子并以正确的方式将他们射向节点，研究人员必须使用一个由镜子和激光组成的复杂系统。真正困难的部分是减少系统中令人讨厌的噪音的技术挑战，以及确保用于产生光子的所有激光器都完全同步。蓬利来说“我们正在讨论每一个节点有三到四个激光器，所以你开始有十台激光器和三台低温恒温器都需要同步工作，以及所有的电子和同步。”

三节点系统特别有用，因为记忆量子位允许研究人员建立纠缠跨网络逐节点，而不是做这一切更苛刻的要求，这些很快可以完成信息通过网络传播。

研究人员在他们的新网络中的下一步就是尝试这些信息随着网络计算能力的重要组成部分不断提高，这样他们就可以像普通计算机网络一样工作。所有这些都将决定新量子网络的规模。

他们还想看看他们的系统是否允许他们建立纠缠在德尔夫和海牙之间，大约六英里到十公里的两个荷兰城市。蓬利莱说“目前，我们所有的节点都彼此之间的距离都在十的二十米范围之内（三十二到六十六英尺）”。

如果你想要有用的东西，你需要走几公里，这将是第一次，我们在远距离之间建立联系。

BY:Ben Turner

FY: 李旗欣

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关键词：研究人员外部节点中间节点