高维度量子纠缠实现安全通信

近日，英国赫瑞-瓦特大学团队发表了一项关于量子纠缠现象的研究成果，量子纠缠是一种量子现象，描述多体系统的相互作用。

图1 量子纠缠艺术效果图。高维度的量子纠缠对噪声有很强的抵抗作用。（图片来源：Vatshal Srivastav）

赫瑞-瓦特大学光子与量子科学研究所的研究人员表示，在一个充斥着网络攻击和信息泄露等威胁的世界里，量子纠缠将使未来的通信网络无法被黑客攻击。即使设备不安全或在犯罪分子手中，这项技术可以提供超安全的通信形式。

但是在长距离中，纠缠光子可以被嘈杂的现实环境所干扰，例如暴风雨天气、背景噪声或通信网络中的信号丢失。这样的问题会危及量子网络的安全。

赫里-瓦特大学物理学家与瑞士日内瓦大学的同事合作，开发出一种新方法，能在强噪音和信号损失的极端条件下，高分辨率和高强度地探测量子纠缠。

Mehul Malik 教授解释说：“即使是世界上最好的光纤，每公里也会有一定的损耗，所以这阻碍了量子通信的信号强度。”Mehul Malik 教授是实验物理学家，也是赫里-瓦特大学工程和物理科学学院的物理学教授，研究量子技术已经有15年了。

“这是首次有实验结果证明，量子纠缠能够忍受噪音和损失——而且仍能以一种被称为量子操纵的强大形式存在。”

Malik教授和所在的二进制量子信息实验室研究团队能够通过使用在多维度(量子位)中纠缠的光子来提高纠缠的稳健性，这与标准的二维量子单位(量子位)相比。这种“高维”纠缠利用光的空间结构将光子纠缠在由光的“像素”构成的53维空间中。

在一项测试中，该研究团队能够在损耗和噪声条件下（相当于79公里电信光缆），操纵纠缠光子，其中 “白色噪声”占有36%——例如，可能来自阳光泄漏到实验中的噪声。

Malik教授补充说，这项研究的另一个发现是，与人们的直觉相反，增加量子纠缠维度的数量也会显著减少测量结果所需的时间。

以上研究成果已发表在期刊《Physical Review X》上。

“高效和可信的信息流动是当今现代社会的核心，” Malik教授说，“未来，量子网络将提供一种超安全、高容量的通信方式。要建立这样一个“量子”互联网，我们需要能够跨越现实世界的距离发送量子纠缠。唯一能做到这一点的方法就是忍受噪音和损失。”

量子技术涉及利用亚原子粒子物理学来开发超高性能应用，包括更强大的计算、更安全的通信和更可靠的导航系统。

Malik教授说：“量子技术是一个新兴的领域，学术界和工业界都在推动这一领域的发展，我认为我们的研究与这两者都有着难以置信的相关性。在学术界，它可以帮助推进基础研究，在工业界，它可以帮助未来的量子网络在全球范围内运作。”

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https://phys.org/news/2022-11-quantum-unhackable-communications-networks.html