量子通信够安全吗?光子对50万亿分之一秒内形成!

  • 日期:09-07
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未来,量子物理学将成为信息技术安全的保证。为实现这一点,单个光粒子用于数据的安全传输。马克斯普朗克固态研究所的物理学家的发现可能发挥了关键作用。研究人员偶然发现了一个光源,它可以从电子能量中产生光子对。

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其中一个轻微粒子可以用作脆弱量子信息的载体,另一个作为信使,可以提前告知其孪生兄弟。与量子通信不同,厨师可以看到他所需的所有成分是否都在橱柜中。毕竟,当你看它时,面粉不会变质。

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物理学家试图测试传输量子信息的程序是否按计划工作是一个非常困难的问题。量子物体在观察时,即在测量时会改变它们的状态。在量子通信中,这使得难以控制由光子传输的信息。但这是非常重要的一点。每次与环境的接触都会破坏光子传输的量子信息,而单光粒子的来源通常只产生非常不规则的单光子。如何在没有测量的情况下确保光子在路上?光子对是一种解决方案,光子可以作为其孪生兄弟的信使。

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扫描隧道显微镜。研究人员经常使用这种显微镜来研究导电或半导体材料的表面。显微镜基于量子隧道效应。这描述了电子如何有一定的概率通过屏障,根据经典物理学,通常无法通过屏障。在扫描隧道显微镜中,将电压施加到金属尖端以允许电子在短距离内隧穿到样品。如果电子在隧穿过程中失去能量,它会产生光。正是这种光,物理学家已经研究了几年,现在带来了一个惊人的发现:

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图形控制的量子信号:当电子(浅蓝色)从扫描隧道显微镜的尖端隧穿到样品时,光子对(黄色和红色)以比先前假设的更高的频率产生。这开启了量子通信的可能性,以在一个光子传输信息时验证另一个光子的传输。照片:KlausKuhnkeMPIfürFestk?rperforschung

在隧穿过程中,除了单个光粒子外,还形成光子对,其理论预测速度为10,000倍。科学家克里斯托弗里昂解释说:根据理论,光子对形成的概率很低,永远不会被看到,但我们的实验表明,光子对产生的速度要快得多,这对我们来说是一个巨大的影响。惊喜!物理学家使用两个探测器来测量光子对,使他们能够测量光子到达之间的时间间隔。首席科学家Klaus Kuhnke解释说,当光子在隧道结中形成时,不到50万亿分之一秒,尚不能确定光子是同时产生还是连续产生。它的生成很快,因为探测器的分辨率不够高。

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这一发现为光子学和量子通信中的隧道结开辟了新的应用。科学家已经知道产生光子对的过程,但大多数过程使用强激光。此外,所需的设备非常小,并且该过程在原子尺度上进行。这意味着新的光源也可以用于未来的计算机芯片中,用光学元件代替电子元件。使用光子的一个优点是它们可以保证快速无损的数据传输。在研究人员进行的实验中,光子配对速度非常快,但实验所需的超高真空和极低温度仍然是一个实际的挑战。

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科学家的下一步是找出测量光子是否直接影响另一个光子的状态。如果是这样,轻微颗粒将缠结。这种纠缠粒子在量子密码学中至关重要。这些结果也提出了光子如何形成的基本问题。到目前为止,这个过程几乎被理论背景所忽视。光子对产生的事实表明复杂的过程肯定正在发生。这个过程令人兴奋,因为它为光的产生开辟了新的视角!

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