当量子计算机变得越来越强大和普及时,它们将需要强大的量子互联网进行通信。普渡大学的工程师已经解决了一个问题,即量子网络的发展必须足够大,足以可靠地支持为数不少的用户。
图注:一项新的研究表明,使用可编程波长选择性开关可以帮助增加量子网络中的用户数量,而不会增加交换设备的光子损失。
这种方法在《Optica》上发表的一篇论文中进行了演示,它可以为大量的量子计算机、量子传感器和其他量子技术准备上线并相互通信时打下基础。
该团队部署了一个可编程开关,通过选择和重定向承载不同数据通道的光的波长来调整向每个用户发送多少数据,从而可以在不增加光子损耗的情况下增加用户数量,这样一来,网络变得越来越大。
如果光子丢失了,那么量子信息也将丢失,这一问题往往会在更远的光子必须通过光纤网络传播的情况下发生。
“我们展示了一种只用一件设备即波长选择开关进行波长路由的方法,原则上可以建立一个由12至20个用户甚至更多的用户组成的网络。”普渡大学的西弗雷斯家族电气和计算机工程杰出教授安德鲁韦纳(Andrew Weiner)说,“以前的方法需要物理间歇数十个固定光学滤波器,这些滤波器调整到单个波长,这使得调整用户之间连接的能力实际上不可行,光子损失的可能性更大。”
工程师无需在每次新用户加入网络时都添加这些过滤器,而是只需对波长选择开关进行编程,即可将数据传输波长直接传递给每个新用户,从而降低了运营和维护成本,并实现了更高效使用量子互联网。
还可以对波长选择开关进行编程,以根据用户需要调整带宽,这是固定滤波器无法实现的。一些用户使用的应用程序可能需要比其他应用程序更多的带宽,类似于通过基于Web的流媒体服务观看节目使用的带宽比发送电子邮件要使用更多的带宽。
对于量子互联网,在用户之间形成连接并调整带宽意味着分布纠缠,即光子彼此之间保持固定的量子力学关系的能力,无论它们在网络中连接用户的距离有多远。纠缠在量子计算和量子信息处理中起着关键作用。
“当人们谈论量子互联网时,就是在两个不同的站点之间(例如在量子计算机之间)远程生成纠缠的想法,”普渡大学电气和计算机工程专业博士学位的纳文·林加拉尤(Navin Lingaraju)说, “我们的方法改变了纠缠光子在不同用户之间共享的速率。这些纠缠光子可能用作在两个不同站点纠缠量子计算机或量子传感器的资源。”
普渡大学的研究人员与橡树岭国家实验室的研究科学家约瑟夫·卢肯斯(Joseph Lukens)合作进行了这项研究。团队部署的波长选择开关基于用于调整当今经典通信带宽的类似技术。
该交换机还能够像现在使用的经典光波通信那样使用“柔性网格”,将带宽分给各种波长和位置的用户,而不是局限于一系列固定波长,每个波长在固定位置都有固定的带宽或信息承载能力。
韦纳说:“我们首次尝试利用可比设备,从这些经典通信概念中获得某种启发,指出其在量子网络方面的潜在优势。”
该小组正在使用波长选择开关构建更大的网络。