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量子通信領(lǐng)域新突破

2024年07月08日 閱讀 554

研究人員開發(fā)了一種突破性的量子信息傳輸方法,使用被稱為“qudits”的光粒子,它利用空間模式和極化特性來實(shí)現(xiàn)更快、更安全的數(shù)據(jù)傳輸,并增加了對(duì)錯(cuò)誤的抵抗力。

這項(xiàng)技術(shù)可以極大地增強(qiáng)量子互聯(lián)網(wǎng)的能力,提供遠(yuǎn)距離、安全的通信,并導(dǎo)致強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)和牢不可破的加密技術(shù)的發(fā)展。

科學(xué)家們?cè)趧?chuàng)造一種利用被稱為“qudits”的光粒子傳輸量子信息的新方法方面取得了重大突破。這些Qudits承諾未來的量子互聯(lián)網(wǎng)既安全又強(qiáng)大。

傳統(tǒng)上,量子信息是在量子位上編碼的,量子位可以同時(shí)存在于0、1或兩者的狀態(tài)(疊加)。這種特性使它們成為復(fù)雜計(jì)算的理想選擇,但限制了它們?cè)谕ㄐ胖锌梢詳y帶的數(shù)據(jù)量。相反,qudits可以在更高的維度上編碼信息,一次傳輸更多的數(shù)據(jù)。

量子位 vs. Qudits

量子位和qudits都是量子信息的單位,但它們的主要區(qū)別在于存儲(chǔ)信息的能力。量子比特是量子計(jì)算中使用的基本單位,由于量子疊加,它可以同時(shí)存在于兩種狀態(tài),通常表示為0和1,就像經(jīng)典計(jì)算中的比特一樣。這使得它可以比經(jīng)典比特更有效地執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。

另一方面,qudits是量子位的泛化,可以同時(shí)存在于d個(gè)狀態(tài),其中d > 2。這種更高的維度允許量子位比量子位容納更多的信息,可能導(dǎo)致量子系統(tǒng)中更有效的數(shù)據(jù)處理和通信,因?yàn)樗鼈兛梢杂酶俚牧孔游粓?zhí)行需要多個(gè)量子位的操作,從而提高效率并降低量子算法的復(fù)雜性。

利用先進(jìn)Qudits的光屬性

新技術(shù)利用光的兩種特性 —— 空間模式和光的偏振 —— 來產(chǎn)生四維量子。這些qudits是建立在一個(gè)特殊的芯片,允許精確的操作。與傳統(tǒng)方法相比,這種操作轉(zhuǎn)化為更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更強(qiáng)的抗錯(cuò)誤能力。

這種方法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是量子能夠在長距離中保持其量子特性。這使得它們非常適用于基于衛(wèi)星的量子通信等應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,數(shù)據(jù)需要在不失去完整性的情況下長距離傳輸。

量子糾纏的機(jī)制

這個(gè)過程首先是用兩個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)特殊的糾纏態(tài)。糾纏是一種現(xiàn)象,兩個(gè)粒子連接在一起,共享相同的命運(yùn),而不管物理分離。在這種情況下,一個(gè)光子(信號(hào)光子)在芯片上被操縱,利用它的空間模式和偏振來創(chuàng)建一個(gè)四維量子。另一個(gè)光子(空閑光子)保持不變,充當(dāng)信號(hào)光子的遙控器(文首圖)。

通過操縱空閑光子,科學(xué)家可以控制信號(hào)光子的狀態(tài),并在其上編碼信息(圖2)。

Qudits量子技術(shù)的未來潛力

這種新方法有可能徹底改變量子通信領(lǐng)域。它為高速量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平了道路,可以安全地長距離傳輸大量數(shù)據(jù)。此外,它可以導(dǎo)致不可破解的加密協(xié)議的發(fā)展,并有助于創(chuàng)建強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī),能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。

研究人員目前的重點(diǎn)是提高qudits的準(zhǔn)確性,并擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模,以處理更高的維度。他們相信這種方法有可能徹底改變量子通信。


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