如今，在科學(xué)領(lǐng)域，沒有什么術(shù)語比“量子”更普遍了。

基于眾所周知的、怪異的量子力學(xué)定律的技術(shù)，有望使計(jì)算機(jī)比當(dāng)今最快的超級計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大，有望具有無可破解的安全通信、以及前所未有的傳感能力，這是進(jìn)一步的科學(xué)發(fā)現(xiàn)所必需的。

但是，要使這些技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，研究人員必須開發(fā)有效的量子通信網(wǎng)絡(luò)，這樣的網(wǎng)絡(luò)連接量子設(shè)備同時保留用于傳輸信息的粒子的微妙狀態(tài)。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和普渡大學(xué)的一組研究人員通過利用光的頻率或顏色朝著這一目標(biāo)邁出了重要的一步。這樣的功能可以為更加實(shí)用和更大規(guī)模的量子網(wǎng)絡(luò)做出貢獻(xiàn)，而這些網(wǎng)絡(luò)將比我們今天擁有的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)更加強(qiáng)大和安全。

圖中展示的是任意頻點(diǎn)量子位狀態(tài)的球面上的每個點(diǎn)，都對應(yīng)一個唯一的量子狀態(tài)，灰色部分表示測量結(jié)果。放大視圖顯示了在其理想目標(biāo)（藍(lán)點(diǎn)）旁邊繪制的三個量子態(tài)的示例。

具體來說，該研究團(tuán)隊(duì)正在利用光的性質(zhì)和量子力學(xué)的原理來傳遞信息，從而使網(wǎng)絡(luò)本身成為光子量子信息處理器。

首先，光子以光速傳播，從而使信息能夠盡快從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)。光子通常不會相互影響，也不會與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，從而確保信息在傳輸過程中不會被擾亂或破壞�！皩�(shí)際上，光是長距離量子通信的唯一可行選擇，” 美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)人約瑟夫·盧肯斯（Joseph M. Lukens）說。他在《物理評論快報(bào)》中詳細(xì)介紹了該團(tuán)隊(duì)的研究成果。

該研究團(tuán)隊(duì)首次利用光產(chǎn)生頻點(diǎn)量子位或單個光子同時駐留在兩個不同的頻率中，以首次展示頻率編碼中的完全任意通信操作。盡管頻率編碼和糾纏出現(xiàn)在許多系統(tǒng)中并且自然地與光纖兼容，但是傳統(tǒng)上已經(jīng)證明了使用這些現(xiàn)象來執(zhí)行數(shù)據(jù)操作和處理操作是困難的。但是，對于量子通信中的基本聯(lián)網(wǎng)功能以及擴(kuò)展的大量量子技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都需要進(jìn)行此類操作。

研究人員使用所開發(fā)的一種稱為量子頻率處理器（ORNL）的技術(shù)，證明了廣泛適用的量子門或執(zhí)行量子通信協(xié)議所需的邏輯運(yùn)算。在這些協(xié)議中，研究人員需要能夠以用戶定義的方式操縱光子，這通常是響應(yīng)于對網(wǎng)絡(luò)中其他位置的粒子進(jìn)行的測量。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)中使用的傳統(tǒng)操作，例如與門（AND）和或門（OR），分別在數(shù)字0和1上進(jìn)行操作，而量子門在0和1的同時疊加上進(jìn)行操作，從而在量子信息通過時保持受保護(hù)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)真正的量子網(wǎng)絡(luò)。

通過研究證明，他們的配置可以將任何量子位狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同的量子位狀態(tài)，該團(tuán)隊(duì)演示了實(shí)用的信息傳輸。盧肯斯說：“如果可以進(jìn)行任意操作，則可以進(jìn)行任何基本的量子通信協(xié)議，例如基于頻率轉(zhuǎn)換的路由�！�

他們的系統(tǒng)是許多不同的系統(tǒng)之一，但是考慮到結(jié)果的應(yīng)用，是最有希望的系統(tǒng)之一。例如，該團(tuán)隊(duì)使用其自定義配置成功展示了高達(dá)98％的保真度（一種定量的準(zhǔn)確性度量）。

魯肯斯說，盡管頻點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)在歷史上一直很難控制，但該團(tuán)隊(duì)的工具卻使其更加可控。不僅如此，它是自然產(chǎn)生的系統(tǒng)，可以很好地轉(zhuǎn)換為現(xiàn)有的光纖。實(shí)際上，該系統(tǒng)是使用經(jīng)典的電信組件（例如相位調(diào)制器）設(shè)計(jì)的。這些因素使該技術(shù)更便宜，并且對希望應(yīng)用該技術(shù)的行業(yè)更具吸引力。此外，這種多米諾效應(yīng)同時推動了經(jīng)典通信和量子通信的發(fā)展，從而推進(jìn)了研究團(tuán)隊(duì)的方法，并可能使大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)更接近現(xiàn)實(shí)。

他們的下一個實(shí)驗(yàn)將涉及在光子集成電路上實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)。盧肯斯說：“有很多無法預(yù)料的應(yīng)用�！� “頻率編碼是由許多不同的系統(tǒng)自然產(chǎn)生的，并且非常適合光纖，因此潛在的應(yīng)用空間應(yīng)該是廣闊的�！�

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2021-03-quantum-milestone.html