科学家通过商业网络传输纠缠量子信号，实现了量子网络的重大飞跃。他们的新稳定方法克服了干扰，保持了网络的平稳和安全运行。
橡树岭国家实验室与商业公用事业公司 EPB 和田纳西大学查塔努加分校合作，利用多波长信道和自动极化稳定技术，在商业网络上首次开发并测试了纠缠量子信号的传输，而且没有停机。 图片来源：美国能源部摩根曼宁/ORNL
量子突破： 首个通过商业网络传输的纠缠信号
美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）、查塔努加 EPB 和田纳西大学查塔努加分校的研究人员成功地在商用光纤网络上传输了纠缠量子信号。 这一成就标志着多波长信道和自动极化稳定技术首次被同时使用，而且没有出现任何网络瘫痪。
这一突破使我们离开发功能性量子互联网更近了一步，它可以提供比当今网络更高的安全性和效率。
为了保持信号的稳定性，研究人员采用了自动偏振补偿（APC）技术，这种技术可以纠正偏振的变化--偏振是光波电场振荡的方向。 该系统依靠激光产生的参考信号和一种称为外差检测的超灵敏方法来实时监测和调整偏振。
通过使用 APC，研究小组最大程度地减少了风和温度波动等环境因素造成的干扰，这些因素会干扰通过光缆传输的量子信号。
克服信号干扰，实现无缝通信
领导这项研究的ORNL量子研究科学家约瑟夫-查普曼（Joseph Chapman）说："我们一直以来的目标之一就是开发能让用户无缝操作的量子通信系统。"这是这种方法的首次演示，它能够在保持量子信号的同时实现相对快速的稳定，而且所有的正常运行时间都是100%--这意味着处于传输两端的人不会注意到信号的任何中断，也不需要协调预定的停机时间。"
通过这种方法，田纳西大学查塔努加校区的节点与其他两个 EPB 量子网络节点（每个节点距离约半英里）之间的信号传输得以连续进行 30 多个小时，且没有中断。 田纳西大学的节点上有一个由ORNL量子研究科学家穆尼尔-阿尔肖坎（Muneer Alshowkan）开发的纠缠光子源。
在田纳西州查塔努加展示了由 ORNL 开发的自动偏振补偿量子网络技术。 该测试利用了 EPB 的光纤商业量子网络，田纳西大学查塔努加分校和行业合作伙伴 Qubitekk 也参与其中。 资料来源：约瑟夫-查普曼、摩根曼宁/ORNL、美国能源部
量子丘比特： 未来计算的关键
量子计算依靠量子比特或量子位来存储信息。 与经典计算中使用的二进制位不同，量子比特可以通过量子叠加同时以一种以上的状态存在，这使得物理值的组合可以编码在一个物体上。
ORNL 的研究使用光粒子（或光子）作为量子比特，并通过量子纠缠分发在 光子对上传输偏振纠缠量子比特。 纠缠的量子比特相互交织，无法单独描述其中一个。 这种纠缠使得编码在量子比特中的信息可以通过量子远距传输从一个地方传输到另一个地方，而不需要在空间中进行物理旅行。 纠缠分发和量子远传是更先进量子网络的基础。
解决光纤量子网络中的干扰问题
光子可以通过偏振以及光的其他特性编码为量子比特，并通过现有的光纤电缆系统进行传输。 但是，风、湿气、温度变化以及光缆上的其他应力会破坏光子的偏振，干扰信号。 查普曼和 ORNL 团队希望找到一种方法，在保持网络以最大带宽运行的同时，稳定极化并减少干扰。
查普曼说："以前的大多数解决方案并不一定适用于所有类型的极化，而且需要权衡利弊，比如定期重置网络。使用网络的人需要网络正常运行。 我们的方法可以控制任何类型的极化，而且不需要定期关闭网络。"
测试和微调量子过程
查普曼和阿尔肖坎利用纠缠辅助量子过程断层扫描技术，通过纠缠光子产生测试信号来测试补偿方法，该技术可估算量子通道（如使用 APC 的地面光纤）的特性，从而测量变化。 启用 APC 后，传输保持相对稳定，增加的噪声极小。
查普曼说："一个经验丰富、耳朵灵敏的音乐家可以分辨出两件乐器走音的不同之处。在我们的 APC 中，我们使用激光对参考信号进行同样的处理。"
查普曼已经为这种方法申请了专利。 下一步工作包括调整方法，增加带宽和补偿范围，以便在更多条件下实现高性能运行。
EPB首席执行官戴维-韦德（David Wade）说："与ORNL等组织的合作为我们提供了宝贵的反馈意见，有助于我们继续加强EPB量子网络，使其成为研究人员、初创企业和学术客户的资源。"自从推出商业上可行的量子网络以来，我们已经开始努力为我们的社区做好准备，以便从量子未来的进步中获益，并将恰塔努加打造成为开发者和投资的目的地。"
UTC 官员承诺将继续提供支持。UTC 主管研究的副校长莱因霍尔德-曼恩（Reinhold Mann）说："我们很高兴能成为这一成功合作的一部分。这种合作关系推动了量子信息科学与技术的发展，并为我们的学生提供了特殊的体验式学习机会。"
编译自/ScitechDaily