新方法可以实现快速跨国的量子网络

量子计算机为改善网络安全、通信和数据处理等领域提供了强大的方法。然而，要充分发挥这些优势，必须连接多台量子计算机来构建量子网络或量子互联网。科学家们一直在努力想出构建此类网络的实用方法，这些网络必须能够长距离传输量子信息。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员提出了一种新方法——使用真空密封管和间隔开的透镜阵列构建长量子通道。这些真空光束导管直径约为20厘米，传输距离可达数千公里，容量超过每秒1,013个量子比特，比任何现有的量子通信方法都要好。编码量子数据的光子将穿过真空管，并在透镜的作用下保持聚焦。

“我们相信这种网络是可行的，而且潜力巨大，”分子工程学教授、新论文的资深作者梁江说。“它不仅可以用于安全通信，还可以用于构建分布式量子计算网络、分布式量子传感技术、新型望远镜和同步时钟。”

蒋与斯坦福大学和加州理工学院的科学家合作完成了这项新研究，研究成果发表在《物理评论快报》上。

发送量子比特

传统计算机以传统比特(表示为0或1)对数据进行编码，而量子计算机则依赖于量子比特，量子比特可以表现出量子现象。这些现象包括叠加(一种模糊的状态组合)以及纠缠，这使得两个量子粒子即使在相隔很远的距离也能相互关联。

这些特性使量子计算机能够分析新类型的数据，并以新的安全方式存储和传递信息。连接多台量子计算机可以使它们更加强大，因为它们的数据处理能力可以汇集在一起​​。然而，通常用于连接计算机的网络并不理想，因为它们无法保持量子比特的量子特性。

江教授解释道：“你无法通过传统网络发送量子态。你可以用传统方式发送一段数据，量子计算机可以处理它，但结果又会用传统方式发回。”

一些研究人员已经测试了使用光纤电缆和卫星传输光子(可充当量子比特)的方法。光子可以通过现有的光纤电缆传播一小段距离，但通常会随着光子被吸收而迅速丢失信息。由于太空是真空的，反射到卫星并返回地面的新位置的光子吸收较少，但它们的传输受到大气吸收和卫星可用性的限制。

“我们想要做的是将之前每种方法的优点结合起来，”PME研究生、新论文的第一作者黄月勋说道。“在真空中，你可以发送大量信息而不会衰减。但能在地面上做到这一点才是最理想的。”

向LIGO学习

加州理工学院激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们建造了巨大的地面真空管，用于容纳可以探测引力波的移动光子。LIGO的实验表明，在几乎没有分子的真空中，光子可以传播数千公里。

受这项技术的启发，江、黄和他们的同事开始构思如何利用更小的真空管在量子计算机之间传输光子。在他们的新理论工作中，他们表明，如果设计和布置得当，这些管道可以将光子传送到全国各地。此外，它们只需要中等真空(10-4大气压)，这比LIGO所需的超高真空(10-11大气压)更容易维持。

“主要的挑战是，当光子穿过真空时，它会稍微扩散，”江解释说。“为了克服这个问题，我们建议每隔几公里放置一个透镜，这样就可以将光束聚焦到很远的距离，而不会产生衍射损失。”

研究小组与加州理工学院的研究人员合作，计划进行桌面实验来测试该想法的实用性，然后计划使用更大的真空管(如LIGO的真空管)来研究如何对准透镜并稳定长距离光子束。

江说：“要大规模实施这项技术，我们当然需要解决一些土木工程方面的挑战。但最终的好处是我们拥有可以每秒传输数十TB数据的大型量子网络。”