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世界首个初级量子网络构建成功

  德国马克斯普朗克量子光学研究所科学家实现了世界上第一个基于众多单个原子和光子的初级量子网络。

  量子纠缠描述的是两个微观粒子无论相隔多远,只要彼此处于量子纠缠,通过改变一个粒子的量子状态,就可以使另一个粒子状态也发生改变。科学家预测,利用这种特性建立的量子网络比现在的互联网要快千万倍,而且要想破译它的密码非常困难。

  马克斯普朗克量子光学研究所主任、量子动力学部门负责人格哈德教授说,这个初级量子网络由两个耦合的单原子节点构成,通过连续的单光子交换来传递量子信息。这种量子网络的构建方式提供了一个清晰的可扩展视角,因此大有发展前景。

  研究人员通过调整激光束将原子捕获在光学腔中,并实现了对被困原子发射单光子的控制。他们证明了这种单原子腔系统是一个在单光子中存储信息编码的完美接口,信息经过一定的储存时间后,可被传递到第二个单光子。

  这两个各自代表网络节点的系统通过一个60米长的光纤相连,被安装在相隔21米的两个实验室中。为实现两个节点之间的量子纠缠,研究人员利用激光让位于A节点的原子发射一个光子,其量子态会映入光子的偏振态。光子通过光纤抵达B节点并被吸收,量子态就会转移到位于B节点的原子。原子的量子态可很容易通过单光子的偏振态读出,多个原子腔节点便可构成一个规模化的量子系统。

  这是第一次将两个这样的系统连接,并在它们之间进行量子信息高效率和高保真的交换,也是科学家第一次远距离在大量分离的粒子之间创建量子纠缠,从而建立世界上最大的量子系统。

  研究人员称:“我们已经实现了第一个量子网络原型,在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外,还可以在两个节点之间产生远程纠缠,并保持约100微秒,而这种纠缠的产生只需约1微秒。间隔很大距离的两个系统的纠缠,本身就是一个迷人的现象。未来人们通过它不仅可以进行非常远距离的量子信息沟通,而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。”