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开启多人量子通讯的实验
发表日期:2020-07-08 18:02| 来源 :S最生活| 点击数:891 次

编译来源:Experiment opens the door to multi-party quantum communication

开启多人量子通讯的实验

Credit: Image courtesy of University of Waterloo

量子金钥传输(QKD)

想像一下你有一个很机密的资讯要传送给远方的朋友,为了避免机密资料外洩,你会做什幺事来防止呢?从过去到现在,人类大部份都是使用密码来保护这些资讯,特别是在网路的时代,密码学更是重要。但是传统的密码学曾有一个未解的难题:要如何把密码给对方使得对方能开启我传的档案呢?用网路传密码吗?那这个密码要用什幺保护呢?相信您已经了解,首先必须要使双方都有第一组密码,但是第一组密码不能用网路传,因为如果第一组密码被窃听,那幺后面的一切资讯都会被拦截。量子金钥传输(Quantum Key Distribution)解决了这个难题。它使用了物质的量子性质使得我们可以安全地传送钥匙而不用派密使或亲自转交密码。这项重要技术的物理基础就在于量子纠结。

在量子科学的世界,Alice和Bob已经跟对方说话很多年了,而Charlie在几年前也想同时加入对话。滑铁卢(Waterloo)大学的量子计算研究所(IQC) 的物理学家们宣布首次实现了传递三个纠结在一起的光子到三个相距几百公尺远的地方,同时也证明了对于超过两个光子的纠结,量子非侷域性质依然存在。这实验的发现表示在严格的类空间分隔条件下(亦即发生在两个不同时间、地点的事件,其空间距离和时间距离的比值大于光速),量子讯号可以超光速传递。这项成果已于近期发表在Nature Photonics,也代表多人量子通讯的可能性已大大提高。

非侷域性形容纠结的粒子们能无远弗届地知道彼此的状态的能力,在量子的世界,这暗示了可用超光速的速度来传送资讯。量子纠结,曾被爱因斯坦描述为幽灵般的超距作用,因为它与爱因斯坦所说的区域作用原则(principle of local action)相牴触。爱因斯坦认为相距遥远的物体无法对彼此有立即的影响,任何两个物体间的交互作用最快也只能以光速传递。

为了验证三个光子的相关性是由量子纠结所导致而非由区域隐变数(hidden local variables)所造成,IQC的科学家需要去封闭掉被称为侷域性的漏洞。他们设计出一种方法能把纠结的光子传到距离实验室几百公尺的旷野中的拖车上并确保这三个光子间无法互相协调行为。加拿大的自然科学暨工程研究议会的光学量子科技主席Kevin Resch教授说:「从量子系统测量到的相关性能透露大自然的基础的本质。三个粒子的纠结问题比两个的更複杂。我们可以利用这些複杂的现象来排除掉一些理论或者把它们当成建构新的量子科技的资源。」

GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)态 一种至少包含三个粒子的纠结态

首先,一组包含三个光子的GHZ态生成在Resch 的实验室,这可视为Alice所準备的资讯。其中一个光子被延迟留在实验室内一个580公尺的光纤中,等待被量测。另外两个光子则经由85公尺的光纤到达屋顶,再传送到约700公尺远而且彼此也相距700公尺的Bob和Charlie的拖车中。为了保持这种类空间的分隔,第四个人,Randy,在第三台拖车上随机地选择一种测量方法给在实验室的Alice去侦测她的光子。每一台拖车的设备包含侦测器、由IQC附属公司UQD所开发的计时器和量子乱数产生器。为了确保封闭掉侷域性漏洞,量子乱数产生器确定在每台拖车上的光子都被独立地测量。UQD研发的计时器也用来确定实验在很短的时间(3奈秒)内完成,确保没有资讯能在这幺短的时间内从一地传到另一地,这是证明纠结的非侷域性质的一个关键的条件。

一位这篇论文的共同作者Thomas Jennewein教授说:「把三个光子纠结在一起的想法已经出现很久了。要完成这实验需要在时机恰当下聚集所有具相关知识技术的人。IQC恰在正确的时间有需要的各方面的人才。」

IQC的实验宣布三个纠结的光子的成功传输,这可以用来做超过两人以上的资讯传递。它使多人的量子通讯成为可能,包含量子金钥传输(QKD),第三人密码学(third man cryptography)和量子机密分享(quantum secret sharing)。这篇论文的第一作者Chris Erven,他曾是IQC的博士生现在是布里斯托(Bristol)大学的研究助理,说:「有趣的结果是:我们有能力去做超过两人的量子通讯。QKD到目前为止已是双人的沟通系统。这是第一次你可以想像一个多人使用多个纠结的光子的相关性来连结的网路。

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