研究人员在现实环境中达到量子网络里程碑

来自美国能源部橡树岭国家实验室、斯坦福大学和普渡大学的一个团队开发并展示了一种新颖的、功能齐全的量子局域网(QLAN)，能够实时调整与 ORNL 的地理隔离系统共享的信息。纠缠光子穿过光纤。

该网络举例说明了专家如何以实际规模例行连接量子计算机和传感器，从而在迈向备受期待的量子互联网的道路上实现这些下一代技术的全部潜力。该团队的结果发表在PRX Quantum 上，标志着多年相关研究的高潮。

连接经典计算设备的局域网并不是什么新鲜事，QLAN 已在桌面研究中成功测试。迄今为止，量子密钥分发一直是该领域量子通信最常见的例子，但这个过程是有限的，因为它只在站点之间建立安全，而不是纠缠。

ORNL 量子信息科学部门负责人尼古拉斯·彼得斯 (Nicholas Peters) 表示：“我们正试图通过了解纠缠分布带宽等关键功能来构建量子互联网。”“我们的目标是开发演示量子网络应用所需的基本工具和构建模块，以便它们可以部署在真实网络中以实现量子优势。”

当两个光子——光粒子——配对或纠缠在一起时，无论它们之间的物理距离如何，它们都表现出比任何经典方法都强的量子相关性。这些交互启用了只能使用量子资源才能实现的违反直觉的量子通信协议。

一种这样的协议，远程状态准备，利用纠缠和经典通信通过测量纠缠光子对的一半并将另一半有效地转换为首选量子态来编码信息。彼得斯于 2005 年在获得物理学博士学位的同时领导了远程状态准备的第一个一般实验实现。该团队在 QLAN 中的所有配对链路上应用了这种技术——这是以前在网络上没有完成的壮举——并展示了基于纠缠的量子通信的可扩展性。

这种方法允许团队将三个远程节点连接在一起，称为“爱丽丝”、“鲍勃”和“查理”——这些名字通常用于可以通过量子传输进行通信的虚构人物——位于三个不同的研究实验室，位于三个不同的建筑中。 ORNL的校园。从包含 Alice 和光子源的实验室，光子通过 ORNL 现有的光纤基础设施将纠缠分布到 Bob 和 Charlie。

量子网络与放大器和其他经典信号增强资源不兼容，这会干扰纠缠光子共享的量子相关性。考虑到这个潜在的缺点，该团队采用了灵活的网格带宽配置，它使用波长选择开关来为网络用户分配和重新分配量子资源，而无需断开 QLAN。这种技术提供了一种内置的容错能力，通过这种技术，网络运营商可以通过将流量重新路由到其他区域来响应意外事件，例如光纤断裂，而不会中断网络速度或损害安全协议。

“由于网络中的需求可能会随着时间的推移或不同的配置而发生变化，因此您不希望拥有一个始终为特定用户分配相同部分的固定波长信道系统，”Wigner 研究员兼研究科学家 Joseph Lukens 说。 ORNL 以及该团队的电气工程专家。“相反，您希望能够根据用户的需要灵活地为网络上的用户提供更多或更少的带宽。”

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