首个量子通信网络诞生

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首个量子通信网络诞生
作者：熔桓　发稿时间：2012-04-13 11:59:13
为了实现两个网络节点之间的纠缠，原子A发出的单光子偏振态与原子的量子态纠缠。一旦光子被吸收，这个纠缠就被转移到原子B。

图：单原子形成基本量子网络中的节点，量子信息传输需要控制单个光子交换。来源：马克斯•普朗克量子光学研究所

马克斯•普朗克量子光学研究所的科学家研究小组建成了第一个基础量子网络，采用的是单个原子和光子之间的接口。
无论是给朋友打电话还是使用互联网，我们的日常通信都是基于复杂的网络，在不同节点之间，以光的速度传送数据。建立相应的网络，进行量子信息的交换，这是一个巨大的挑战。这些量子网络根本上不同于传统的网络：除了可洞察物理学中的基本问题之外，它们也可用于保障通信安全，模拟复杂的多体系统，或者，它们也可用于分布式量子计算。有效的量子网络的一个先决条件是一些固定节点，可以进行可逆的量子信息交换。
在这个领域，现在取得了一项重大突破，这些科学家属于格哈德•莱姆普（Gerhard Rempe）教授的小组，他是德国马克斯•普朗克量子光学研究所（MPQ：Max Planck Institute of Quantum Optics）和量子动力学部（Quantum Dynamics）主任。这些物理学家已经制成第一个基本量子网络。它包含两个耦合的单原子节点，进行量子信息通信，是采用单光子相干交换（coherent exchange）。“这种方法的量子网络特别看好，因为具有了明确的可扩展性，”莱姆普教授指出。
量子信息是极其脆弱的，不能被克隆。为了防止信息的改变或损失，有必要完美地控制量子网络的所有组件。量子信息最小的固定内存是单原子，单光子代表完美的信号。高效的信息传输是在单原子和单光子之间进行，然而，需要两者之间有强相互作用，这不能实现，因为原子是在自由空间。根据伊格纳西奥•西拉克（Ignacio Cirac）教授（马克斯•普朗克量子光学研究所主任和理论部门的负责人）的建议，莱姆普教授的小组花多年时间，研究一些系统，把单个原子嵌入光学腔。这些空腔包含两个高反射镜，放置在很短的距离。空腔内原子发出的光子可进行引导，因此，可以发送到其他网络节点，这是一个可控制的方式。光子进入空腔，会在镜子之间反射数千次。这样，原子与光子相互作用被大大增强，原子可相干吸收光子，效率很高。
第一个实验挑战是准永久性地把原子捕捉在空腔中。这要采用精致微调的激光束，这意味着对原子的干扰最小。在下一步，物理学家取得的是，可以控制被困原子发出的单光子。最后，他们可以证明，这种单原子-腔系统是一个完善的接口，可以存储单光子编码的信息，而且它们也可以转移到第二个单光子上，这要经过一定的储存时间。目前的工作是又一里程碑，这种方法会制成大型量子网络。这是第一次，两个这样的系统连接起来，量子信息在它们之间进行交换，而且具有高效率和保真度。这两个系统，每个都代表一个网络节点，安装在相隔21米的两个实验室，而且是通过一个60米长的光纤连接。
量子网络表现出特殊的性质，是传统网络中没有的。这是因为信息交换的方式根本不同：经典比特代表0或1，而量子比特可以同时具有两个值，这种现象被称为“相干叠加”（coherent superposition）。
然而，测量会使量子位成为两个值中的一个。在单个原子中，量子信息的编码是采用两个能级的相干叠加。原子在节点A发出一个光子，激发采用受控激光器发出的光脉冲，它的量子态映射为光子的偏振态。光子通过光纤到达节点B，在这里，它被相干吸收。在此过程中，最初是在节点A的原子中形成的量子态被转移到节点B的原子。结果，A可以接收下一个光子，而B可以把存储的信息发送回A，也可以发送给任何其他节点。正是这种对称和可逆的特点，使这一方案可扩展到任意的网络配置，包含许多原子腔节点。原子的量子态可被读出，这需要把它们再次映射到单个光子的偏振态，这很容易测量。实验的领导，斯蒂芬•里特尔（Stephan Ritter）博士解释说：“我们能够证明，量子态的传输比任何经典网络都更好。事实上，我们证明了西拉克教授开发的理论方法是可行的，”
又迈进了一步，科学家成功地在两个节点之间生成“量子力学纠缠”。纠缠是量子物体一种独特功能。这把它们连接在一起，采取的是这样一种方式，就是它们的性质密切相关，具有不同寻常的方式，无论它们在空间上分隔多远都是这样。这种现象近百年前就被预言，被称为阿尔伯特•爱因斯坦（他并不是真正相信）“超距离幽灵行为”（spooky action at a distance）。为了实现两个网络节点之间的纠缠，原子A发出的单光子的偏振态现在是与原子的量子态纠缠。一旦光子被吸收，这个纠缠就被转移到原子B。事实上，这是第一次创造出大质量粒子之间的纠缠，这些粒子相隔这么大的距离，使它成为世界上“最大”的量子系统，采用的是大质量粒子。
“我们已经建成量子网络的第一个原型，”斯蒂芬•里特尔总结说。“我们实现了节点之间量子信息的可逆交换。此外，我们还可以在两个节点之间产生远程纠缠，并保持约100微秒，而生成纠缠只需要大约一微秒。远距离相隔的两个系统之间的纠缠本身就是一个迷人的现象。但是，它也可以作为一个资源，进行量子信息的隐形传输。有朝一日，这不仅可能在非常远的距离进行量子信息通信，而且也可能建成完整的量子互联网。”