美国团队开发出新型光学量子网络，每个节点可紧密实时同步共享信号

2021-10-14 11:34

近期，由美国能源部橡树岭国家实验室、斯坦福大学和普渡大学组成的一个团队开发了一种功能齐全的量子局域网络(QLAN)，这一网络能够使在地理上相互隔离的系统得以实时调整共享的信息。他们在ORNL使用通过光纤的纠缠光子实现了这一目标。

这个网络展示了专家们如何在实际规模上常规地将量子计算机和传感器连接起来，从而在量子互联网环境下实现这些下一代技术的全部潜力。该团队的研究成果发表在《PRX Quantum》杂志上。

用于连接经典计算设备的局域网如今并不是什么新鲜事，QLAN也已经在桌面级研究中成功测试过了。到目前为止，量子密钥分发是量子通信领域最常见的应用，但这个过程是受限的，因为它只建立了站点之间的安全基础，而不是纠缠连接。

俄勒冈州国家实验室的量子信息科学部门负责人尼古拉斯·彼得斯(Nicholas Peters)说。“我们的目标是开发基本工具和构建模块，展示量子网络应用，这样它们就可以部署在真实的网络中，实现量子优势。”

Nicholas Peters在2005年获得物理学博士学位时，领导了第一个远程状态准备的一般实验验证。该团队在QLAN的所有配对链路上应用了这项技术，这是以前在网络上从未实现过的壮举。基于此，他们还展示了基于纠缠的量子通信的可扩展性。

这种方法使得研究小组可以将三个远程节点连接在一起，这三个节点被称为“Alice”、“Bob”和“Charlie”，它们分别位于ORNL的三座独立建筑中的三个不同的研究实验室中。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是不相容的，它们会干扰纠缠光子共享的量子关联。考虑到这个潜在的缺点，该团队结合了灵活的网格带宽配置，使用波长选择开关来分配和重新分配量子资源给网络用户，而会不断开QLAN。

这种技术提供了一种内置的容错性，网络运营商基于此可以通过将流量重新路由到其他区域，而不影响网络的速度或安全协议，从而对意料之外的事件(如光纤中断)作出响应。

与典型的经典网络相比，量子网络需要每个节点的活动时间更紧密地同步。为了满足这一要求，研究人员需要依赖GPS。利用位于Bob实验室的GPS天线，该团队可以与每个节点共享信号，以确保基于GPS的时钟在几纳秒内实现同步，并且在实验期间它们不会漂移。

在确定光子探测器捕获的纠缠光子到达的精确时间之后，该团队会将从上述3个实验室收集的高质量测量数据从QLAN发送到一个经典网络。

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