[據(jù)防務(wù)宇航網(wǎng)站2020年6月24日報道]美國陸軍的兩個研究項(xiàng)目推進(jìn)了量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這可能在未來戰(zhàn)場作戰(zhàn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
量子網(wǎng)絡(luò)將可能提供多種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)的新型能力，其中之一就是安全的量子通信。在量子通信協(xié)議中，信息通常是通過糾纏的光子粒子發(fā)送的。因此，竊聽量子通信幾乎是不可能的，而那些試圖竊聽量子通信的人也會留下通信被篡改的痕跡。但是，利用光子在傳統(tǒng)信道（如光纖線路）發(fā)送量子信息是很困難的——攜帶信息的光子經(jīng)常被破壞或丟失，使得信號變得微弱或不連貫。
第一個項(xiàng)目由美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展部陸軍研究實(shí)驗(yàn)室分布式量子信息中心資助和管理，在該項(xiàng)目中，芝加哥大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)展示了一種繞過這些傳統(tǒng)信道的新型量子通信技術(shù)。該研究將兩個通信節(jié)點(diǎn)與一個通道鏈接，證明了可以在節(jié)點(diǎn)之間以量子原理方式發(fā)送信息，而無需占用鏈接通道。
該實(shí)驗(yàn)室陸軍研究辦公室項(xiàng)目經(jīng)理、分布式量子信息中心的聯(lián)合管理者Sara
Gamble博士說：“這一結(jié)果特別令人振奮，不僅因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高傳輸效率，還因?yàn)樗麄冮_發(fā)的系統(tǒng)將使人們能夠在可變信號損耗的情況下進(jìn)一步探索量子協(xié)議。克服損耗是實(shí)現(xiàn)魯棒量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵技術(shù)?！?/p>
該研究發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊上，該研究開發(fā)了一種系統(tǒng)，這種系統(tǒng)利用微波光子（與手機(jī)中使用的光子相同），通過微波電纜糾纏兩個通信節(jié)點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)中，他們使用了一條長約一米的微波電纜。通過以可控的方式打開和關(guān)閉系統(tǒng)，他們能夠?qū)蓚€節(jié)點(diǎn)進(jìn)行量子糾纏，并在它們之間發(fā)送信息，而無需通過電纜發(fā)送光子。
芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院“JohnA. MacLean”高級教授、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室高級科學(xué)家Andrew Cleland博士說：“我們在一米長的電纜上傳輸信息，而不需要發(fā)送任何光子，這是一個非常不尋常的成就。從原理上，這種系統(tǒng)也能在更遠(yuǎn)的距離上起作用。與通過光纖通道發(fā)送光子的系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)更快、更高效?！?/p>
盡管該系統(tǒng)具有局限性——它必須處于非常寒冷的環(huán)境（溫度僅高于絕對零度幾度），但研究人員表示，它也有可能在室溫下用原子代替光子工作。
該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將多個光子以更復(fù)雜的狀態(tài)糾纏在一起，最終可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的量子通信協(xié)議和能力。
然而，糾纏粒子并不僅僅限于光子或原子。在2020年6月12日發(fā)表在行業(yè)評審期刊《物理評論X》（Physical Review X）上的第二篇論文中，同一個芝加哥團(tuán)隊(duì)首次將兩個聲子（聲音的量子粒子）糾纏在一起。
該團(tuán)隊(duì)為與聲子通信建立了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)類似于光子量子通信系統(tǒng)，它能將兩個微波聲子糾纏在一起，這些聲子的音調(diào)大約比人耳能聽到的音調(diào)高100萬倍。
一旦這些聲子被糾纏在一起，該團(tuán)隊(duì)就將其中一個聲子作為“先驅(qū)”，從而影響他們的量子系統(tǒng)使用另一個聲子的方式。這種方法使得該團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)行所謂的“量子橡皮擦”實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)中，即使在測量完成后，信息也會從測量中刪除。
Cleland說：“聲子給系統(tǒng)提供了更大的時間窗口，從而減少了做量子橡皮擦實(shí)驗(yàn)的一些挑戰(zhàn)?！?/p>
盡管與光子相比，聲子有很多缺點(diǎn)（例如，它們的壽命較短），但它們與一些固態(tài)量子系統(tǒng)有強(qiáng)烈的相互作用，這種特點(diǎn)是光子沒有的。因此，聲子可以提供一種與這些系統(tǒng)進(jìn)行耦合的更好的方式。
這種耦合是許多量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵能力，也可能有利于其他量子信息科學(xué)應(yīng)用，如量子計算。此外，在相同的頻率下，聲子的波長比光子的波長短，有可能實(shí)現(xiàn)更小的量子電路。
該實(shí)驗(yàn)室研究員、分布式量子信息中心聯(lián)合管理者Fredrik
Fatemi博士說：“這些實(shí)驗(yàn)共同為我們未來研究如何構(gòu)建在非理想環(huán)境中發(fā)揮作用的量子網(wǎng)絡(luò)，并在系統(tǒng)之間可靠地傳輸量子信息提供了多種途徑?！保▏夜I(yè)信息安全發(fā)展研究中心 劉彧寬）