新方法可以产生快速的跨国量子网络

为了使量子网络成为现实，芝加哥大学普利兹克分子工程学院江小组的研究人员提议使用带有间隔透镜阵列的真空密封管来构建长量子通道。

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，为了实现这些全部好处，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这种网络的实用方法，这些网络必须远距离传输量子信息。

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——使用带有间隔透镜阵列的真空密封管构建长量子通道。这些直径约20厘米的真空束导向器将具有数千公里的范围和超过每秒1,013个量子比特的容量，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保持聚焦，这要归功于透镜。

“我们相信这种网络是可行的，并且具有很大的潜力，”分子工程教授，新工作的资深作者Liang 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。

江与斯坦福大学和加州理工学院的科学家合作开展了这项新工作，该研究发表在《物理评论快报》上。

发送量子比特

经典计算机以传统比特（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（一种模棱两可的状态组合）以及纠缠，它允许两个量子粒子相互关联，即使在很远的距离上也是如此。

这些特性使量子计算机能够分析新型数据，并以新的、安全的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。

“你不能通过经典网络发送量子态，”江解释说。“你可能会以经典的方式发送一段数据，量子计算机可以处理它，但结果随后又以经典的方式发送回去。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院Liang 江教授使用真空束导向器回顾了所提出的量子网络，该网络的范围为数千公里，容量超过每秒1013个量子比特，优于任何现有的量子通信方法。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich

一些研究人员已经测试了使用光纤电缆和卫星传输光子的方法，这些光子可以充当量子比特。光子可以通过现有的光纤电缆传播一小段距离，但随着光子被吸收，它们的信息通常会很快丢失。由于太空的真空，光子在新位置反弹到卫星并返回地面的光子被吸收较少，但它们的传输受到大气吸收和卫星可用性的限制。

“我们想做的是结合以前每种方法的优点，”PME研究生Yuexun Huang说，他是这项新工作的第一作者。“在真空中，你可以发送大量信息而不会衰减。但能够在实地做到这一点将是理想的。

向LIGO学习

在加州理工学院激光干涉仪引力波天文台（LIGO）工作的科学家已经建造了巨大的地面真空管，以容纳可以探测引力波的移动光子。LIGO的实验表明，在几乎无分子的真空中，光子可以传播数千公里。

受到这项技术的启发，江，黄和他们的同事开始勾勒出如何使用更小的真空管在量子计算机之间传输光子。在他们新的理论工作中，他们表明，如果设计和布置得当，这些管子可以携带光子穿越全国。此外，他们只需要中等真空（10-4大气压），这比超高真空（10-11大气压）为LIGO所必需。

“主要的挑战是，当光子在真空中移动时，它会扩散一点，”江解释说。“为了克服这个问题，我们建议每隔几公里放置一次透镜，这些透镜可以将光束聚焦在很远的距离上而不会产生衍射损失。

该小组与加州理工学院的研究人员合作，计划进行桌面实验，以测试这个想法的实用性，然后计划使用更大的真空管，如LIGO的真空管，研究如何对准透镜并稳定远距离的光子束。

“在更大范围内实施这项技术肯定会带来一些土木工程挑战，我们也需要弄清楚，”江说。“但最终的好处是，我们拥有大型量子网络，每秒可以传输数十TB的数据。

更多信息：Yuexun Huang et al， Vacuum Beam Guide for Large Scale Quantum Networks， Physical Review Letters （2024）.DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.020801.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2312.09372

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv