核物理学家:新型量子纠缠可能重塑未来通信

极客网·网络通信1月16日 美国知名科幻作家奥森·斯科特·卡德在他的经典科幻小说《安德的游戏》中想象了这样一个世界:地球上最聪明、最年轻的战术家通过一种名为ansible*的设备远程即时指挥军队。 

尽管目前还不清楚这种设备是否可能出现,但美国能源部的布鲁克海文国家实验室的科学家们日前详细介绍了一种“前所未见”的量子纠缠,并表示:有朝一日,通过这种纠缠技术可以开发出强大的新型通信工具和计算机。 

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自从20世纪初得出量子纠缠粒子理论以来,科学家们一直在试图利用这一现象开发技术。几十年来,这一话题一直是物理学家们激烈争论的焦点。然而在去年年底,阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格这三位科学家更是在量子纠缠方面的卓越研究而被授予诺贝尔物理学奖。 

一种“新型”量子纠缠 

布鲁克海文国家实验室的最新发现是在探索一种探测原子核内部运作的新方法时获得的,使用该实验室的相对论重离子对撞机将粒子加速到接近光速。该实验结果发表在《科学进展》杂志上。

在通常情况下,对撞机会把金粒子撞碎,这将消除质子和中子之间的界限,使科学家能够在类似于银河系早期的环境中研究夸克和胶子,这是构成原子核的两种基本粒子。 

但在研究中,金粒子并没有被撞碎在一起,而是被光子云包围,并允许彼此通过。 

根据布鲁克海文国家实验室的描述,当它们彼此经过时,由光子和胶子相互作用引起的一系列量子波动产生了一个新粒子,这个新粒子迅速衰变为一对带电的π介子。当测量这些π介子时,科学家可以绘制出原子核内胶子的分布。 

参与该项目的STAR合作成员Daniel Brandenburg在一篇博客文章中表示,这项技术的工作原理有点像医院中的扫描设备,但科学家们看到的不是患者的大脑内部,而是质子的内部工作方式。

正是在进行这些测量时,科学家们发现了一种奇怪的现象——一种新的量子干涉。

布鲁克海文国家实验室的物理学家Zhangbu Xu在博客文章中表示:“我们测量了两个出射粒子,很明显它们的电荷是不同的,这说明它们是不同的粒子——但我们看到的干涉模式表明,这些粒子彼此纠缠或同步,尽管它们是可区分的粒子。” 

Brandenburg表示,大多数对纠缠的其他观察都是在光子或相同的电子之间。他说,“这是第一次在实验中观察到不同粒子之间的纠缠。”

量子互联网的序幕 

美国能源部的各个国家实验室多年来一直在深入研究量子力学,包括量子纠缠的实际应用,并为量子互联网的开发投入了数百万美元的资金。

 虽然量子网络无法解释,但它利用粒子的特性,与传统计算中使用的二进制1和0相比可以更有效地编码数据。无论如何,至少这个想法是这样的。 

虽然构建量子网络的努力仍处于起步阶段,但一些实验已经显示出了希望。2019年,布鲁克海文国家实验室演示了纠缠可以光子在一个长达约11英里的光纤网络上的传输。这是当时在美国进行的距离最长的量子纠缠实验。

最近,荷兰的研究人员展示了使用中间节点传输量子信息的方法,他们认为这一技术对于实现量子互联网至关重要。

超光速通信最初是由传奇科幻作家厄休拉·勒奎恩在1966年发表的科幻小说《罗坎农的世界》中构想出来的,这是她几部小说中的第一部。她在小说中将超光速通信技术描述成为行星之间进行交流的方式之一。

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