TUM团队实现了量子计算机之间的安全通信

团队首次通过35厘米超导电缆成功地在本地网络中实现了安全的量子通信。

2019年10月25日-由慕尼黑工业大学(TUM)的物理学家领导的国际团队有史以来第一次在本地量子网络的微波波段中实验性地实现了安全量子通信。新架构代表了分布式量子计算道路上的关键一步。

到目前为止,世界上还没有通用量子计算机。但是,由TUM物理学家Rudolf Gross,Frank Deppe和Kirill Fedorov领导的国际团队首次通过35厘米超导电缆成功地在本地网络中实现了安全的量子通信。“因此,我们为实现量子化奠定了基础。通讯系统是非常重要的微波范围。”慕尼黑工业大学技术物理学教授,实验所在的WaltherMeißner研究所(WMI)主任Rudolf Gross说道。“这是一个里程碑。这使基于超导电路和微波通信的量子互联网触手可及。”

多年的开拓工作

WMI的研究人员已经在量子微波的传播领域开创了十多年的先河。首先,他们必须证明微波辐射甚至具有量子力学性质。与可见光不同,由于微波光子的能量低,从技术角度来看这极具挑战性。

为了消除干扰,在接近绝对零的温度下进行了实验。使用特殊的冷却装置,物理学家最终成功地证明了微波范围内的纠缠原理,这是可靠的量子通信的重要前提。

使用纠缠的防窃听协议

物理学家目前的工作使他们更接近实际应用:“量子远程状态准备”,因为他们称之为通信协议。可以在远程位置设置量子状态,而无需直接发送任何信息。

这个概念可以如下所示:两个人,我们称他们为Alice和Bob,位于两个不同的地方。虽然一点是古典信息学中最小的信息,但在量子通信中,它是一种量子状态。

现在,如果爱丽丝想向鲍勃发送一条信息,那么两者都将处于纠缠的量子力学状态。然后,爱丽丝对该状态进行测量,并将结果通过经典方式传输给鲍勃。鲍勃又对纠缠态的一部分执行与结果相关的运算,从而获得爱丽丝想与他进行通信的量子态。

经典传输的测量结果对任何第三方都没有用,因为它们不会处于纠缠状态。这使得通过此协议进行的通信绝对不受窃听。

由Walther-Meissner-Institut(WMI)开发的量子电路,可用于产生受限的微波状态。图片由TUM提供。
使用压缩波进行信息传输

研究人员使用所谓的压缩微波状态作为量子状态。这是电磁波的特殊表现,只能用量子力学来解释。

在此,波的真空波动在一个平面上得到抑制,并在垂直于第一平面的平面上放大。可以使用两个这样的压缩状态来产生纠缠状态。物理学家在Garching的WaltherMeißner研究所开发了这项技术和其他重要细节,例如超导量子电路。

七米冷却量子电缆

新概念可能会引发革命性的发展。“在微波领域中安全量子通信的实验实施是迈向分布式量子计算的重要一步,”欧洲旗舰项目量子微波通信与传感(QMiCS)的WMI协调员Frank Deppe说。

TUM物理学家还认为,量子计算机之间的距离可能更长。在这里,一项挑战将是开发和测量几米的冷却量子电缆。格罗斯说:“在QMiCS的背景下,我们已经在努力将距离扩大到7米。” “这使超导量子计算机的联网触手可及。”

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