量子物理 - 向量子互联网传送

该图像显示用于存储缠结的光子的晶体，其表现得好像它们是同一整体的一部分。科学家们在量子传送实验中使用这样的水晶。

Calgary测试量子传送在实际基础设施中的新实验，代表了该技术的重大步骤。

量子物理学是一个似乎为科学家超级生产的领域。那些了解极其小或冷颗粒的世界的人可以与他们进行惊人的壮举 - 包括传送 - 似乎弯曲现实。

这些壮举背后的科学是复杂的，直到最近，在实验室设置之外并不存在。但那正在改变：研究人员已经开始在现实世界中实施量子传送。能够这样做只是可能彻底改变现代的电话和互联网通信，导致高度安全，加密的消息传递。

一篇论文在自然光子学中发表的论文，并由NASA的喷气机推进实验室，加利福尼亚州帕萨迪纳的工程师协作，详细说明了大都市光纤电缆网络中量子传送的第一个实验。这一现象首次见到了实际城市基础设施的长距离。在加拿大，卡尔加里大学研究人员在卡尔加里市下的“黑暗”（未使用的）电缆中超过3.7英里（6公里）的光子的量子状态。这是实际大都市网络中量子传送最长距离的新记录。

虽然过去已经记录了更长的距离，但在实验室设置中进行了那些，其中通过电缆的线轴烧制光子以模拟长距离引起的信号损失。在实际基础设施中的卡尔加里测试量子传送的最新系列实验，代表了该技术的重大步骤。

“证明诸如实验室环境之外的传送等量子效应涉及一系列新的挑战。该实验表明，这些挑战是如何克服的，因此它标志着未来量子互联网的重要里程碑，“弗朗西斯科·玛西利（JPL）共同作者之一Francesco Marsili说。“量子通信解锁了量子力学的一些独特属性，例如，使用最终的安全性或将量子计算机联系在一起的交换信息。”

实验的Photon传感器是由Marsili和JPL的Microdevices实验室的Marsili和Matt Shaw开发的，以及科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所的同事。他们的专业知识对实验至关重要：量子网络是用光子完成的，并且需要世界上一些最敏感的传感器，以便确切地知道粒子发生的事情。

“由JPL和NIST研究人员开创的超导检测器平台使得可以在电信波长上检测单个光子，其具有几乎完美的效率，并且几乎没有噪音。由于早期的探测器类型，这是不可能的，因此使用现有的光纤基础设施等实验将在没有JPL的探测器的情况下接近不可能，“卡尔加里大学的量子科技学院Daniel obs表示。

使用量子物理学的更安全的电子邮件

缩小到光子的水平​​，物理学开始通过奇异的规则发挥作用。理解这些规则的科学家可以“纠缠”两个粒子，以便它们的性质链接。纠缠是一种令人难以置信的概念，其中具有不同特征或州的粒子可以在空间中聚集在一起。这意味着任何影响一个粒子的国家会影响另一个粒子的状态，即使它们与彼此相隔迈出的英里。

这是传送进入的地方。想象一下，你有两个缠绕的颗粒 - 让我们召唤它们光子1和光子2 - 并且光子2被送到远处的位置。在那里，它与光子3遇到，两个彼此相互作用。光子3的状态可以传递到光子2，并自动“传送”到缠绕的双，光子1。尽管光子1和3从未相互作用，但这种不孤名单的转移也会发生。

此属性可用于安全地交换密码。如果两个人共享纠缠的一对光子，则可以以不具有个子状的方式传输量子信息，留下窃听器，无需拦截，因此无法读取秘密消息。

传送意味着走向距离

Marsili表示，这种高度安全通信系统正在多个领域进行测试，包括希望保护其空间数据信号的金融工业和代理商。由Marsili，Shaw及其NIST同事开发的超导单光子探测器是这样做的关键工具，因为在长距离上发送光子将不可避免地导致信号的“损失”。即使在空间中使用激光，光线也会在距离上扩散，削弱了所传输的信号的功率。

下一步是构建中继器，可以进一步将光子的状态从一个位置传送到下一个位置。正如中继器用于跨距离携带其他电信信号一样，它们可用于传送缠绕的光子。超级敏感的光子探测器允许中继器在全国各地发送缠绕的光子。对于与空间相关的通信，甚至不需要中继器;光子最终可以使用激光射入空间，并且光子状态可以从地球传送。

Calgary实验中没有使用中继器，这主要是为了建立如何在实验室外进行量子传送。研究人员使用该市的深色纤维 - 一种单一光缆，没有电子或网络设备流过它们。

“通过使用先进的超导探测器，我们可以使用inpidual光子从空间到地上有效地将经典和量子信息传送到地上，”Shaw说。“我们正计划使用这些探测器的更多先进版本，以便从国际空间站的深度空间和量子传送的光学通信的演示。”

该研究由艾伯塔省创新技术期货资助;加拿大国家科学与工程研究委员会;和国防高级研究项目机构。部分探测器研究是在与美国国家航空航天局的合同下的JPL下进行的。Pasadena的Caltech管理NASA的JPL。

出版物：raju Valivarthi等，等，“跨越城域网的量子传送，”自然光子图10,676-680（2016）; DOI：10.1038 / nphoton.2016.180