研究无法破解的通信网络的量子飞跃

苏格兰爱丁堡赫瑞瓦特大学的科学家发表了关于量子纠缠现象的新研究。这是两个粒子——例如光子——即使相隔很远也仍然保持联系的时候。

赫瑞瓦特光子与量子科学研究所的研究人员表示，在一个充斥着网络攻击和信息泄露等威胁的世界中，量子纠缠将使未来的通信网络牢不可破。该技术可以提供最安全的通信形式，即使设备不安全或落入犯罪分子手中也是如此。

但是在长距离上，纠缠的光子可能会被嘈杂的现实世界环境所破坏，例如暴风雨天气、背景噪音或通信网络中的信号丢失。像这样的问题会危及量子网络的安全。

赫瑞瓦特物理学家与瑞士日内瓦大学的同事合作，开发了一种方法，使量子纠缠即使在极端的噪声和损失条件下也能生存并保持稳健。

“即使是世界上最好的光纤，每公里也会有一定的损耗，因此这是使这种形式的量子通信成为可能的一大障碍，”实验物理学家、赫瑞-Watt的工程与物理科学学院，研究量子技术已有15年。

“这是第一次证明量子纠缠可以容忍噪声和损失——并且仍然以一种被称为量子操纵的强形式存在。”

与标准的二维量子单元(qubits)相比，Malik教授及其在BeyondBinaryQuantumInformationLab的研究团队能够通过使用多维纠缠的光子(qudits)来提高纠缠的稳健性。这种“高维”纠缠利用光的空间结构，将光子纠缠在由光“像素”组成的53维空间中。

在一项测试中，研究人员能够通过相当于79公里电信光纤电缆的损耗和噪声条件来引导纠缠光子，其中36%的“白噪声”——例如，可能来自阳光泄漏到实验中的噪声。

Malik教授说，这项研究的另一个发现是，与直觉相反，增加量子纠缠的维数也大大减少了测量结果所需的时间。

研究结果发表在PhysicalReviewX杂志上。

“高效和可信的信息流是当今现代社会的核心，”马利克教授说。“在未来，量子网络将提供一种超安全、高容量通信的方式。要构建这样一个‘量子’互联网，我们需要能够跨越现实世界的距离发送量子纠缠。唯一的方法你可以通过容忍噪音和损失来做到这一点。”

量子技术涉及利用亚原子粒子的物理学来开发超高性能应用，包括更强大的计算、更安全的通信和更可靠的导航系统。

Malik教授说：“量子技术是学术界和工业界都在推进的一个新兴领域，我认为我们的研究与两者都非常相关。在学术界，它可以帮助推进基础研究，在工业界，它可以帮助未来的量子网络在全球范围内运行。”