新研究推动美陆军对量子网络的探索

美国陆军的两个研究项目推进了量子网络的发展，量子网络将可能在未来战场作战中发挥关键作用。

量子网络将可能提供传统网络无法实现的新功能，其中之一就是安全量子通信。在量子通信协议中，信息通常是通过纠缠光子粒子发送的。窃听量子通信几乎是不可能的，那些试图窃听量子通信的人也会留下他们被篡改的证据；然而，通过光子在传统信道（如光纤线路）发送量子信息是很困难的–携带信息的光子经常被破坏或丢失，使得信号变得微弱或不连贯。

在第一个项目中，由美国陆军作战能力发展部陆军研究实验室分布式量子信息中心资助和管理的芝加哥大学研究团队展示了一种绕过这些传统信道的新型量子通信技术。这项研究通过一个通道将两个通信节点链接在一起，并在这些节点之间以量子力学方式发送信息，而从未占用链接通道。

这一结果特别令人振奋，不仅因为该团队实现了高传输效率，还因为他们开发的系统将使人们能够在可变信号损耗的情况下进一步探索量子协议，克服损耗是实现强量子通信和量子网络的一个主要障碍。

这项发表在《物理评论快报》上，该研究开发了一个系统，该系统通过微波电缆利用微波光子（与手机中使用的光子相同）将两个通信节点纠缠在一起。在这个实验中，他们使用了一条长约一米的微波电缆。通过以受控方式打开和关闭系统，它们能够使两个节点发生量子纠缠并在它们之间发送信息，而不必通过电缆发送光子。这是一个了不起的成就。原则上，这也会在更远的距离上工作。它将比通过光纤通道发送光子的系统更快、更高效。

虽然该系统有局限性，它必须保持在非常低的温度下运行，但研究人员表示，该系统也有可能在室温下用原子代替光子工作。

该团队现在正在进行实验，将多个光子纠缠在一起，从而最终实现增强的量子通信协议和功能。

然而，纠缠粒子并不仅仅限于光子或原子。在6月12日发表在同行评审期刊《Physical Review X》上的第二篇论文中，同一芝加哥团队首次将两个声子–声音的量子粒子–纠缠在一起。

研究小组使用一种与光子量子通信系统类似的用于与声子通信的系统，将两个微波声子纠缠在一起，这两个声子的音调大约是人耳能听到音调的一百万倍。

尽管声子相对于光子有很多缺点（例如，它们的寿命较短），但它们与一些固态量子系统有强烈的相互作用，而这些系统可能与光子没有强烈的相互作用。因此，声子可以提供一种更好的方式与这些系统进行耦合。

这种耦合是许多量子网络应用的关键功能，也可能有利于其他量子信息科学应用，如量子计算。另外，对于相同的频率，声子的波长比光子的波长短，从而有可能实现更小的量子电路。

这些实验为未来研究如何构建在非理想环境中发挥作用的量子网络，以及如何在系统之间可靠地传输量子信息提供了多种途径。这对于开发未来量子技术都是至关重要的。