物理学家如何将量子信息遥传了 62 英里

将我们引向量子互联网更近一步
NIST

心灵传输并非真实存在,至少不像小说中描绘的那样。没有人曾让一个物体——无论是哈利·波特还是柯克舰长——从一个地方消失,然后在另一个地方重现。但是信息……情况则有所不同。

本周,科学家们创下了量子心灵传输距离的新纪录,瞬间将一条信息从一个光粒子传递到另一光粒子,距离超过62英里(100公里)的光纤末端。量子信息在两个粒子之间传输,而没有真正穿过它们之间的空间。(在本例中,光纤仅用于使两个粒子相距遥远。)

这项技术由一家日本电信公司的研究人员开发,有望推动 efforts to 保护信息免受黑客攻击。当量子中继器连接起来时,它们可以安全地远程心灵传输数据,并成为基础。

这项技术有望推动保护信息免受黑客攻击的努力。

“人们看到这种技术最早的应用之一是某种安全的通信链路,”美国国家标准与技术研究院(科罗拉多州博尔德)的电子工程师Martin Stevens表示,他是Hiroki Takesue团队的成员,该团队的研究发表在《Optica》10月刊上。

尽管这一切听起来很神奇,但远距离粒子之间的心灵传输之前也发生过。目前88英里的距离纪录属于维也纳的一个团队,他们在一个夜晚使用激光照射加那利群岛的两地之间完成了心灵传输。

开放天空中的光束可能对与卫星进行量子通信很有用。但它们对于地面上的日常使用并不十分实用,因为通过这种方式发送信息需要视线清晰。

“如果有东西挡住光线,比如一栋建筑,那就会有问题,”Stevens说。“在像城市这样的环境中,能够使用埋在地下的光纤要方便得多。”

在光纤中建立长距离的光粒子连接一直是一个挑战,因为光在通过光纤传输时往往会被吸收。去年,瑞士的一个小组设定了15英里心灵传输的记录。

为了打破这项纪录,Takesue的团队从一对具有彼此之间诡异量子纠缠的粒子开始。这些粒子是纠缠的,这意味着其中一个粒子发生的任何事情都会瞬间改变另一个粒子的行为,无论它们之间的距离有多远。即使研究人员将其中一个粒子沿着62英里的缠绕光纤传输,这种诡异的关系仍然完好无损。

Optical fibers
Groman123/Flickr CC By SA 2.0

随后,一个来自激光器、以稳定节奏脉冲的第三个粒子也被加入其中。研究人员已经将它编码为单个二进制数据。类似于今天计算机中存储在比特中的一或零,该脉冲可以与激光的节拍完全同步,或者延迟千分之一秒。

然后,该数据粒子与其中一个纠缠粒子(未沿着光纤传输的那个)相遇。当粒子混合在一起时,数据有时会转移。有四分之一的时间,数据粒子和它的新伙伴最终处于相反的状态:一个同步,一个延迟。当这种情况发生时,远在光纤另一端的纠缠粒子会瞬间采用其伙伴的状态,即与数据粒子相反的状态。

探测器保持在接近绝对零度仅仅一度的温度,比冥王星表面还要冷。

传输的这部分是瞬间发生的。但是读取那个遥远粒子的状态需要通过以光速发送的额外消息,这限制了心灵传输可以用来发送信息的_速度_。

这项研究是一个原理证明的实验,在实际应用之前还需要克服许多技术障碍。例如,只有当探测器保持在接近绝对零度仅一度的温度时,它才有效,比冥王星表面还要冷。这需要笨重且昂贵的冰箱。

“心灵传输是量子信息领域最吸引人的术语之一,但我们还没有达到立即看到其应用阶段,”多伦多大学量子物理学家Aephraim Steinberg说,他没有参与这项新研究。

但Steinberg和其他关注这项以及全球各地类似实验的研究人员希望,这些实验将带来一种新的通信方式,或许还会出现互联网的量子版本。

 

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