光量子传输成为可能？哥本哈根大学新研究，使光量子在室温下保持稳定

大数据文摘作品

作者：Mickey

私人信息的数字化让数据保护变得越来越重要。为了让数字化信息在传输过程中不被黑客“截胡”，研究人员找到了某种不可破解的加密方式——量子密码学。

阻碍量子密码学的加密方式落地使用的一大原因是，这些携带信息的光量子位非常不稳定，要想稳定并正常的工作，需要储存在接近绝对零的温度，负270 摄氏度下。这需要大量的电力和资源，也是其在工业界几乎无法被应用的主要原因之一。

哥本哈根大学的研究人员开发了一种新技术，可以使光的量子位在室温下保持稳定，不再需要在 -270 度下才能保持稳定工作状态。这一研究将极大节省电力和金钱，是量子研究的一项重要突破。

什么是量子加密？它为什么重要？

为了避免信息在传输过程中被窃取，重要信息都会使用一定的加密技术。目前所使用的公开金钥加密与数位签章（如ECC和RSA）在具规模的量子电脑出现后，都会在短时间内被破解。目前公认最可靠的加密被称为量子密码学，它的的优势在于，除了古典密码学上的数学难题之外，再加上某些量子力学的特性，可达成古典密码学无法企及的效果。例如，以量子态加密的资讯无法被复制。又例如，任何试图尝试读取量子态的行动，都会改变数子态本身。这使得任何窃听量子态的行动会被发现。

量子这个词更多因为量子计算被公众熟知。但是，不同类型的量子可以被用于不同的目的。我们熟知的量子计算主要由超导量子位和离子量子位等静止量子位（它们绑定到特定位置）完成。而光的量子位由不断高速飞行的光子（光粒子）组成，这种类型的量子比特非常适合量子通信，因为它可以远距离传输而不受干扰。

我们前边说到，量子密码学基于某种由单光子组成的量子位——光粒子，具有极难破解的特性。因此，将其应用于加密技术就非常适合。举个例子，在撰写电子邮件或与银行沟通时，每封信都会被转换成光子的光学代码。

这就是为什么研究人员正在努力使用单光子（光的量子位）来编写电子邮件，因为它们很难再被分成更小的部分，所以更难窃取。因此，很容易检测到是否有人在窃取您的消息，这就是单光子难以破解的原因，也是研究人员在数据时代给予数据保护的终极回答。

然而，为了使这些光量子位稳定并正常工作，它们需要储存在接近绝对零的温度——即负 270 摄氏度——这需要大量的电力和资源，也是其在工业界几乎无法被应用的主要原因之一。

然而，在最近发表的一项研究中，哥本哈根大学的研究人员展示了一种新方法，可以将这些量子位在室温下储存时间延长至过去的一百倍。相关研究已经被收录在Nature Communication中。

特殊涂层使量子位保持稳定

“我们为我们的存储芯片开发了一种特殊涂层，可以帮助光的量子位在室温下保持相同和稳定。此外，我们的新方法使我们能够将量子位存储更长的时间，即毫秒而不是微秒——这在以前是不可能的。我们对此感到非常兴奋，”尼尔斯·玻尔研究所量子光学教授Eugene Simon Polzik说。

Eugene Polzik 是开发具有特殊涂层的存储芯片的小组负责人。他与合作博士进行了研究；Karsten Dideriksen 和 Rebecca Schmieg 以及博士后 Michael Zugenmaier 都来自哥本哈根大学。

存储芯片的特殊涂层使得存储光量子位变得更加容易，我们不再需要大型冷冻机。冷冻机操作起来很麻烦并且需要大量电力，因此，新的研究将助力更便宜的量子存储，更符合未来行业的需求。

“在室温下存储这些量子位的优势在于，不再需要液氦或复杂的激光系统来冷却。此外，它是一种更简单的技术，可以在未来的量子互联网中更轻松地实现，”该项目的UCPH-PhD Karsten Dideriksen 说。

存储芯片的照片，保护在玻璃电池中。

通常温暖的温度会干扰每个量子位光的能量。“在我们的存储芯片中，数以千计的原子四处飞行，发射光子，也称为光量子位。当原子受热时，它们开始更快地移动并相互碰撞并与芯片壁发生碰撞。这导致它们发射出彼此非常不同的光子。但我们需要它们完全相同，以便将来使用它们进行安全通信，”Eugene Polzik 解释道。

“这就是为什么我们开发了一种方法，通过在存储芯片内部使用特殊涂层来保护原子存储器。涂层由具有蜡状结构的石蜡组成，它的作用是软化原子的碰撞，使发射的光子或量子位相同且稳定。我们还使用了特殊的过滤器来确保只从存储芯片中提取相同的光子”。

尽管这一新发现是量子研究的一个突破，但仍需要更多的工作。

“现在我们以低速率产生光的量子比特——每秒一个光子，而冷却系统可以在相同的时间内产生数百万个光子。但我们相信，这项新技术具有重要优势，我们可以及时克服这一挑战，”Eugene总结道。

相关报道：

https://news.ku.dk/all_news/2021/06/new-invention-keeps-qubits-of-light-stable-at-room-temperature/