僅5皮秒時(shí)間差！美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的量子網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步水平

北京時(shí)間6月28日消息（余予）世界在等待量子技術(shù)。量子計(jì)算有望解決當(dāng)前或經(jīng)典計(jì)算無法解決的復(fù)雜問題。量子網(wǎng)絡(luò)對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的全部潛力、突破我們對(duì)自然的理解以及改善日常生活的應(yīng)用至關(guān)重要。

但要使其成為現(xiàn)實(shí)，需要開發(fā)利用當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的精確量子計(jì)算機(jī)和可靠的量子網(wǎng)絡(luò)。

最近，作為一種潛力的證明和邁向功能性量子網(wǎng)絡(luò)的第一步，伊利諾伊州快速量子網(wǎng)絡(luò) (IEQNET) 的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功地在美國(guó)能源部 (DOE) 的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間使用本地光纖部署了一個(gè)長(zhǎng)距離量子網(wǎng)絡(luò)。該實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著量子編碼光子（傳遞量子信息的粒子）和經(jīng)典信號(hào)首次以前所未有的同步水平在大城域距離同時(shí)傳遞。

為了測(cè)試兩個(gè)“時(shí)鐘”的同步性——一個(gè)在阿貢，一個(gè)在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室——科學(xué)家們?cè)趦蓚€(gè)時(shí)鐘之間同時(shí)傳輸了一個(gè)經(jīng)典時(shí)鐘信號(hào)（藍(lán)色）和一個(gè)量子信號(hào)（橙色）。這些信號(hào)是通過伊利諾伊快遞量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的。研究人員發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)時(shí)鐘在小于5皮秒或5萬億分之一秒的時(shí)間內(nèi)保持同步。（圖源：Lee Turman，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

IEQNET的合作伙伴包括美國(guó)能源部的費(fèi)米國(guó)家加速器和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)和加州理工學(xué)院。他們的成功部分源于其成員涵蓋的計(jì)算架構(gòu)的廣度，從經(jīng)典和量子到混合。

“兩個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室相距50公里，在具有這種共享技術(shù)能力和專業(yè)知識(shí)的量子網(wǎng)絡(luò)上開展工作，并非易事，”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、該項(xiàng)目的首席研究員Panagiotis Spentzouris表示，“您需要一支多元化的團(tuán)隊(duì)來解決這個(gè)非常困難和復(fù)雜的問題。”

他們共同表明，量子和經(jīng)典信號(hào)有可能在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)光纖上共存并實(shí)現(xiàn)同步，無論是在城域距離還是在現(xiàn)實(shí)世界的條件下。

研究人員指出，經(jīng)典計(jì)算網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足夠復(fù)雜。將量子網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)引入混合中會(huì)大大改變游戲規(guī)則。

當(dāng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要執(zhí)行同步操作和功能時(shí)，例如安全和計(jì)算加速所需的那些，它們依賴于一種被稱為“網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 (NTP) ”的東西。該協(xié)議在承載信息的同一網(wǎng)絡(luò)上分發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，其精度比眨眼的速度快一百萬倍。

使用量子計(jì)算，所需的精度甚至更高。想象一下經(jīng)典的NTP是一名奧運(yùn)選手；量子計(jì)算的時(shí)鐘是閃電俠，漫畫書和電影中的超快超級(jí)英雄。

為了確保他們得到一對(duì)糾纏的光子——從遠(yuǎn)處相互影響的能力——研究人員必須產(chǎn)生大量的量子編碼光子。同時(shí)，知道哪些光子對(duì)是糾纏在一起的，就是同步性的來源。

研究團(tuán)隊(duì)使用類似的定時(shí)信號(hào)來同步費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室-阿貢網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)目的地或節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘。

精密電子設(shè)備用于根據(jù)已知因素（例如距離、速度，以及溫度變化或振動(dòng)在內(nèi)的光纖中環(huán)境干擾）調(diào)整此定時(shí)信號(hào)。

由于他們?cè)趦蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)室之間只有兩條光纖，研究人員不得不在攜帶糾纏光子的同一根光纖上發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。將時(shí)鐘與量子信號(hào)分開的方法是使用不同的波長(zhǎng)，但這也帶來了自身的挑戰(zhàn)。

“為量子和經(jīng)典同步信號(hào)選擇合適的波長(zhǎng)對(duì)于最大限度地減少影響量子信息的干擾非常重要，”阿貢計(jì)算機(jī)科學(xué)家和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員Rajkumar Kettimuthu表示，“一個(gè)類比可能是光纖是道路，波長(zhǎng)是車道。光子是騎自行車的人，時(shí)鐘是卡車。如果我們不小心，卡車可能會(huì)駛?cè)胱孕熊嚨?。因此，我們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，以確?？ㄜ嚤３衷谄滠嚨郎?。”

最終，兩者都得到了適當(dāng)?shù)姆峙浜涂刂?，定時(shí)信號(hào)和光子從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的源頭分發(fā)。當(dāng)光子到達(dá)每個(gè)位置時(shí)，使用阿貢的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量和記錄。

“我們使用現(xiàn)成的技術(shù)展示了創(chuàng)紀(jì)錄的同步水平，該技術(shù)依賴于編碼到光上的射頻信號(hào)，”加州理工學(xué)院研究員兼IEQNET團(tuán)隊(duì)成員Raju Valivarthi說道，“我們?cè)诩又堇砉W(xué)院構(gòu)建并測(cè)試了該系統(tǒng)，IEQNET實(shí)驗(yàn)證明了它在連接兩個(gè)主要國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)光纖網(wǎng)絡(luò)中的準(zhǔn)備情況和能力。”

該網(wǎng)絡(luò)的同步非常精確，位于兩地的時(shí)鐘僅有5皮秒的時(shí)間差；一皮秒就是萬億分之一秒。

這種精度將使科學(xué)家能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和操縱糾纏的光子對(duì)，以支持在現(xiàn)實(shí)世界條件下城域距離的量子網(wǎng)絡(luò)操作?；谶@一成就，IEQNET團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來演示糾纏交換。這個(gè)過程使來自不同糾纏對(duì)的光子之間產(chǎn)生糾纏，從而產(chǎn)生更長(zhǎng)的量子通信通道。

“這是首次在真實(shí)條件下展示使用真實(shí)光纖來實(shí)現(xiàn)這種卓越的同步精度以及與量子信息共存的能力，”Spentzouris表示，“這一創(chuàng)紀(jì)錄的性能是構(gòu)建實(shí)用多節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)的重要一步。”

該項(xiàng)目由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究計(jì)劃資助。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室尋求解決緊迫的國(guó)家科學(xué)技術(shù)問題。作為美國(guó)第一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，阿貢在幾乎所有科學(xué)學(xué)科中開展前沿的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。阿貢的研究人員與來自數(shù)百家公司、大學(xué)以及聯(lián)邦、州和市政機(jī)構(gòu)的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國(guó)的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力，并為國(guó)家更美好的未來做好準(zhǔn)備。阿貢擁有來自60多個(gè)國(guó)家的員工，由UChicago Argonne, LLC為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室管理。

美國(guó)能源部科學(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，致力于解決我們這個(gè)時(shí)代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。

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