“量子存储器”：超高速、超安全互联网的新策略

坚果2000 2024-04-23 发布于安徽

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光子盒研究院

研究结果表明，量子数据的机械存储器可能是为超高速度的超安全互联网铺平道路的策略。

在哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所尼尔斯·玻尔的旧办公室下面是一个地下室，这就是尼尔斯·玻尔的量子物理继承者正在开发最前沿的量子技术的地方。

其中一个项目引人注目（至少对于物理学家来说），一个肉眼可见的小玩意能够实现量子态。量子鼓是一种由陶瓷、玻璃类材料制成的小薄膜，其边缘散布着整齐的孔洞。

现在，新的研究表明，鼓也可以在未来的量子计算机网络中发挥关键作用。就像现代炼金术士一样，研究人员通过将光信号转换成声波振动，创造了一种新的“量子存储器”形式。

在携带数据的光信号撞击量子鼓膜之前，“辅助激光器”确保来自环境条件的膜的自然振动受到控制。这可以通过鼓点以最喜欢的确切频率稳定隔膜。这称为共振。

当鼓与辅助激光共振时，鼓变得非常敏感，这使得鼓能够以量子精度检测存储在数据承载光中的信号。

一旦充满数据的光照射到，其信号就会成为鼓振动的一部分。在这里，它们可以稳定地保存在一种声音存储器中，然后再通过第三种激光发送，第三种激光发射到鼓上，并用来自编码的原始光信号的数据镜像到电缆中。

在这篇新的研究文章中，研究人员证明，来自量子计算机的量子数据以光信号的形式（例如，通过已经用于高速互联网连接的光纤电缆类型）发出，可以作为振动存储在滚筒中然后转发。

之前的实验向研究人员证明，膜可以保持脆弱的量子态。在此基础上，他们认为鼓应该能够接收和传输量子数据，而不会“退相干”，即在量子计算机准备就绪时失去其量子状态。

“这为量子计算机真正能做我们期望它们做的事情的那一天开辟了很好的前景。量子存储器可能是远距离发送量子信息的基础。因此，我们所开发的是具有量子速度和量子安全的未来互联网基础的关键部分。”尼尔斯玻尔研究所的博士后Mads bjerreggaard Kristensen说，他是《物理评论快报》上新研究文章的主要作者。

当远距离的两台量子计算机之间或量子互联网中的许多量子计算机之间传输信息时，信号很快就会被噪声淹没。光缆越长，光缆中的噪声量呈指数增加。最终，数据将无法再被解码。

传统的互联网和其他主要的计算机网络通过放大传输路线上小站点的信号来解决这个噪声问题。但要让量子计算机应用类似的方法，它们必须首先将数据转换为普通的二进制数系统，比如普通计算机使用的二进制数系统。

这不行。这样做会减慢网络速度并使其容易受到网络攻击，因为经典数据保护在未来的量子计算机中有效的可能性非常低。

“相反，我们希望量子鼓能够承担这项任务。它已经显示出巨大的前景，因为它非常适合接收和重新发送来自量子计算机的信号。因此，目标是通过量子鼓接收和重新传输信号的工作站扩展量子计算机之间的连接，这样做可以在保持数据处于量子状态的同时避免噪音。”Kristensen说。

他补充道：“这样一来，量子计算机的速度和优势，例如与某些复杂计算相关的速度和优势，将扩展到网络和互联网，因为它们将通过利用量子态特有的叠加和纠缠等特性来实现。”

如果成功，这些站点还将能够扩展量子安全连接，其量子密码也可以通过鼓来延长。在未来的量子互联网中，这些安全信号可以在不同的距离上发送，无论是围绕量子网络还是跨越大西洋。

该方法涉及以超短光信号发送量子数据的量子比特：可以使用几个纠缠光子来创建几乎牢不可破的密码。

这些类型的连接还确保任何黑客访问的尝试都将被暴露，正如量子定律所说，无论何时观察到什么东西，它都会发生变化。

其他地方正在研究另一种替代方案，其中将携带数据的光源指向原子系统并暂时移动原子中的电子，但该方法有其局限性。

“使用原子系统可以做的事情是有限的，因为我们无法设计原子或它们可以与我们相互作用的光的频率。我们相对“大型”的机械系统提供了更大的灵活性。我们可以修补和调整，这样，如果新发现改变了游戏规则，量子鼓很有可能得到调整。”该研究文章的合著者Albert Schliesser教授解释道。

鼓是机械量子存储器的最新、最严肃的尝试，因为它结合了许多特性：鼓的信号损失低，即数据信号的强度得到很好的保留。它还具有能够处理所有光频率的巨大优势，包括构建现代互联网的光纤光缆中使用的频率。

量子鼓也很方便，因为可以在需要时存储和读取数据。研究人员已经实现了23毫秒的创纪录记忆时间，这使得该技术更有可能有一天成为量子网络系统以及量子计算机硬件的构建模块。

光机械光存储

“我们很早就开始了这项研究。量子计算和通信仍处于发展的早期阶段，但根据我们所获得的存储器，我们可以推测量子鼓有一天将被用作一种量子RAM，一种用于量子信息的临时'工作存储器’。这将是开创性的。”教授说。

参考链接：

[1]https://science./english/press/news/2024/internet-can-achieve-quantum-speed-with-light-saved-as-sound/

[2]https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.100802

[3]‍https://www./news-releases/1041278