近日,一支由芝加哥大学研究人员大卫·克里斯尔(David Christle)领导的国际团队发表了一份研究报告,他们证明了利用现有电信网络的常用材料和协议,是可以实现量子通信的。这一研究成果标志着,我们朝量子现象的实际应用迈出了重要一步。

正如物理学期刊《物理评论X》上的论文所详述的那样,克里斯尔及其同事利用日常电子设备的常见材料——碳化硅晶片中的原子缺陷,让粒子实现了量子纠缠。量子纠缠是一种现象,可以让两个不同的粒子紧密地联系在一起,因而对其中一个粒子施加影响,就会自动影响到另一个粒子。事实上,这些粒子的联系是如此紧密,其产生的效果基本上就像是一个粒子同时存在于多个位置。

克里斯尔及其同事所利用的碳化硅晶片的原子缺陷是指,这种材料中缺失了一个原子,导致相邻原子对自己的电子进行重新排序。然后,研究人员对一种名为自旋的量子特性加以利用,将信息以量子比特的形式储存。量子比特与普通计算机的比特很像,只不过,它不是“非0即1”,而是“又0又1”。

“这项研究工作的一个关键性突破在于,我们发现了原子缺陷的一种内在机制,让我们得以把自旋态转化为光。”克里斯尔解释说,“这意味着,我们找到了一种把自旋态与光子状态纠缠在一起的方法。本质上,这意味着量子信息不再是固定的,从某种意义上说,它现在是可移动的。

要理解这如何应用于一套简单的量子通信系统,我们可以设想,有两个碳化硅晶片被特定长度的光纤分隔开来,研究人员可以用激光器操纵这些晶片中的缺陷,以产生一个电子自旋态以及与该电子发生纠缠的光子。

然后,硅晶片中生成的各个光子将通过光纤,朝彼此移动。当光子在光纤的某个中心交汇点发生相互作用时,将导致光纤两端的两个缺陷发生纠缠。这时,硅晶片上的这两个位置就建立起了一条量子信道。

光子纠缠是量子通信的核心。由于光子纠缠极端脆弱,因此,它被认为是两个位置之间进行信息交换的最安全方法之一。当光子纠缠的状态被测量时,必然会让量子系统发生变化。这意味着,任何试图拦截量子系统中双方通信的窃听者都将扰乱系统本身,并让双方意识到窃听行为的发生。

从信息安全的角度看,量子密钥分配的脆弱性被认为是一件好事。尽管如此,在创建实用型量子通信网络的过程中,这种脆弱性也造成了一些问题。这是因为,随着传输距离的增加,光子与光纤或与空气相互作用产生的干扰将愈发严重地降低量子系统的质量。到了某个时候,量子系统将完全“退相干”,失去信息载体的作用。

到目前为止,利用原子缺陷产生纠缠的最长距离纪录只有不到一英里。在那项实验中,研究人员利用钻石中名为“氮-空穴色心”的缺陷产生了纠缠。同碳化硅的缺陷一样,钻石的氮-空穴色心能够长时间维持电子自旋态,而且还可以充当将自旋态转化为光的界面。

然而,相较于钻石的氮-空穴色心,利用碳化硅的缺陷来产生光子纠缠拥有诸多优点。首先,碳化硅晶片被广泛应用于高电压或高温条件下工作的商用电子设备。与钻石不同,这些晶片制备简单,成本低廉,使得它们更适用于规模化的量子网络。

但它主要的优点还在于,碳化硅缺陷能够在与光纤兼容的波长下工作。而钻石只能在可见光谱的波长上发挥作用,这降低了它们在光纤传输中的适用性。

“这意味着,在一千米的光纤之内,使用钻石损失光子的机率要比使用碳化硅高出十倍。”克里斯尔说,“较低的损失意味着,在光纤连接的远程缺陷之间产生纠缠,其成功的可能性更大。”

正如克里斯尔指出,要创建实用的量子通信网络,将光子损失降至最低至关重要。在此前的实验中,利用钻石的原子缺陷来产生纠缠的成功率非常低。在那项创造纪录的钻石纠缠实验中,研究人员每小时能够成功产生一次纠缠,或者说,每尝试1.56亿次,才能成功一次。

克里斯尔及其同事还认为,与钻石缺陷中产生的自旋态相比,他们能够通过硅晶片中产生的每个自旋态生成更多的光子。根据他们的测量,在自旋态退相干之前,他们应该能生成5,000-30,000个光子。

“我们的预测存在很大的不确定性,但这种方法仍然很有前景,因为相比起钻石的氮-空穴色心产生的约1,000个光子,即使我们预测的下限也是一种很大的提升。”克里斯尔说。

在这成千上万个光子中,只有一个会真正用于在光纤中传输信息。其余的则可以让研究人员对量子态进行更好的测量,这是一个关键要素,因为通过量子网络安全地传送信息,取决于我们对所涉及量子态的认知。如果你只能通过晶片产生的每个量子态生成100个光子,那么你测量这些光子的准确度将远远低于能够生成1,000个光子的量子态。

使用碳化硅晶片生成光子纠缠的最后一个好处体现在,量子自旋态能够在缺陷中维持的时间长度,它本质上测量的是缺陷能够将信息储存多长时间。据克里斯尔称,碳化硅中的自旋态能够持续大约1毫秒,之后就会发生退相干。这听起来可能很短,但在量子领域却是一段漫长的时间。

“对量子中继器来说,这是一个基本要素。”克里斯尔说,“你要能存储量子信息,并将其转化为光。在现实世界中,光纤中的损耗始终存在,但如果在长距离的光纤链路中周期性地放置量子中继器,那么,可以成功产生纠缠的距离就能进一步增加。对于这项重要的未来技术,我们的系统已经掌握了基本要素。”

就目前来说,克里斯尔及其同事开发的量子通信技术仍然是实验性的。下一步,他们将对碳化硅缺陷产生的自旋态所能生成的光子数量进行实际测量,并对系统展开远距离测试。

虽然我们可能还要过一段时间才能使用量子网络来发送电子邮件,但现在,我们距离量子纠缠的未来似乎近多了。


翻译:何无鱼

来源:Motherboard

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