互联网可以达到量子速度，光保存为声音

研究人员能够将光中的信息转化为量子鼓内膜的振动。图片来源：朱利安·罗宾逊-泰特

哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的研究人员开发了一种创建量子存储器的新方法：一个小鼓可以存储在声波振动中用光发送的数据，然后在需要时用新的光源转发数据。结果表明，量子数据的机械存储器可能是为具有令人难以置信的速度的超安全互联网铺平道路的策略。

该研究发表在《物理评论快报》杂志上。

就在尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的旧办公室下面是一个地下室，散落的桌子上摆满了小镜子、激光器和各种类型的设备，这些设备由电线网和成堆的胶带连接起来。看起来一个孩子的项目走得太远了，他们的父母徒劳地试图让他们清理。

虽然未经训练的眼睛很难辨别这些桌子实际上是一系列世界领先的研究项目的所在地，但重要的事情发生在如此小的世界中，甚至牛顿定律都不适用。这就是尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的量子物理继承人正在开发最前沿的量子技术的地方。

其中一个项目——至少对物理学家来说——因为肉眼可见的小玩意儿能够实现量子态。量子鼓是一种由陶瓷、玻璃状材料制成的小膜，其边缘以整齐的图案散布着孔。

当鼓被激光击打时，它开始振动，并且振动得如此之快，而且没有干扰，量子力学开始发挥作用。这一特性早已通过开辟许多量子技术的可能性而引起轰动。

现在，该研究所各个量子领域的合作已经证明，鼓也可以在未来的量子计算机网络中发挥关键作用。像现代炼金术士一样，研究人员通过将光信号转换为声波振动，创造了一种新形式的“量子记忆”。

在他们刚刚发表的研究文章中，研究人员已经证明，来自量子计算机的量子数据以光信号的形式发射 - 例如，通过已经用于高速互联网连接的光纤电缆类型 - 可以存储为鼓中的振动，然后转发。

图片来源：哥本哈根大学

先前的实验已经向研究人员证明，膜可以保持在脆弱的量子态。在此基础上，他们认为鼓应该能够在不“退相干”的情况下接收和传输量子数据，即在量子计算机准备就绪时失去其量子态。

“这为量子计算机能够真正做我们期望的事情的那一天开辟了很好的前景。量子存储器可能是远距离发送量子信息的基础。因此，我们开发的是具有量子速度和量子安全性的未来互联网基础的关键部分，“尼尔斯玻尔研究所的博士后Mads Bjerregaard Kristensen说，他是新研究文章的主要作者。

超快、超安全

当在两台量子计算机之间远距离传输信息时，或者在量子互联网中的许多计算机之间传输信息时，信号将很快被噪声淹没。光缆中的噪声量随着光缆的长度呈指数级增加。最终，数据无法再被解码。

经典的互联网和其他主要计算机网络通过放大传输路线沿线小站的信号来解决这一噪声问题。但是，对于量子计算机来说，要应用类似的方法，它们必须首先将数据转换为普通的二进制数系统，例如普通计算机使用的二进制数系统。

这是不行的。这样做会减慢网络速度并使其容易受到网络攻击，因为在量子计算机的未来中，经典数据保护的几率非常低。

“相反，我们希望量子鼓能够承担这项任务。它已经显示出巨大的前景，因为它非常适合接收和重新发送来自量子计算机的信号。因此，我们的目标是通过量子鼓接收和重新传输信号的站点扩展量子计算机之间的连接，从而避免噪声，同时将数据保持在量子状态，“克里斯滕森说。

“在这样做的过程中，量子计算机的速度和优势，例如，与某些复杂的计算有关，将扩展到网络和互联网，因为它们将通过利用量子态特有的叠加和纠缠等特性来实现。

Mads Bjerregaard Kristensen是这项新研究背后的主要力量。图片来源：哥本哈根大学

如果成功，这些空间站还将能够扩展量子安全连接，其量子代码也可以通过鼓延长。在未来的量子互联网中，这些安全信号可以跨越各种距离发送——无论是在量子网络周围还是跨越大西洋。

灵活、实用且可能具有开创性的量子RAM

正在其他地方进行研究，以替代一种替代方法，即携带数据的光源指向原子系统并暂时移动原子中的电子，但该方法有其局限性。

“你能用原子系统做的事情是有限的，因为我们无法设计原子或它们可以与我们相互作用的光的频率。我们相对“大”的机械系统提供了更大的灵活性。我们可以修补和调整，这样，如果新发现改变了游戏规则，量子鼓很有可能被适应，“该研究文章的合著者Albert Schliesser教授解释说。

“无论好坏，我们作为研究人员的能力主要决定了这一切的运作方式的极限，”他指出。

鼓是机械量子存储器的最新和最严肃的演绎，因为它结合了许多特性：鼓具有低信号损耗，即数据信号的强度得到很好的保留。它还具有能够处理所有光频率的巨大优势，包括构建现代互联网的光纤光缆中使用的频率。

量子鼓也很方便，因为可以在需要时存储和读取数据。研究人员已经实现了创纪录的23毫秒内存时间，这使得该技术有朝一日更有可能成为量子网络系统以及量子计算机硬件的构建块。

“我们很早就开始了这项研究。量子计算和通信仍处于发展的早期阶段，但凭借我们获得的记忆，人们可以推测，量子鼓有一天会被用作一种量子RAM，一种量子信息的临时工作存储器。这将是开创性的，“教授说。

更多信息：Mads Bjerregaard Kristensen 等人，用于光的长寿命和高效光机械存储器，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.100802

期刊信息： Physical Review Letters

来自：量子梦