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获得诺贝尔奖的量子怪异现象有望更好地加密通信和成像您的身体

2022-10-11 15:17:03 来源：用户：

无法破解的通信设备、高精度GPS和高分辨率医学成像都有一些共同点。这些技术——一些正在开发中，一些已经上市，都依赖于非直观的量子纠缠现象。

两个量子粒子，例如成对的原子或光子，可以纠缠在一起。这意味着一个粒子的属性与另一个粒子的属性相关联，一个粒子的变化会立即影响另一个粒子，无论它们相距多远。这种相关性是量子信息技术的关键资源。

在很大程度上，量子纠缠仍然是物理学研究的主题，但它也是商用技术的组成部分，在新兴的量子信息处理产业中扮演着重要角色。

先驱者

2022年诺贝尔物理学奖表彰了法国的AlainAspect、美国的JohnF.Clauser和奥地利的AntonZeilinger在量子纠缠方面所做的实验工作，这在我作为一名研究生开始职业生涯之初就深深地触动了我。物理学家。AntonZeilinger是我博士的导师。导师PaulKwiat对我关于通过实验理解光子纠缠中的退相干的论文产生了重大影响。

当环境与量子物体（在本例中为光子）相互作用以将其从叠加的量子态中剔除时，就会发生退相干。在叠加态中，一个量子物体与环境隔离，同时以两种相反状态的奇怪混合存在，就像抛硬币一样，正面和反面。叠加对于两个或多个量子物体纠缠是必要的。

纠缠走远

量子纠缠是量子信息处理的关键要素，诺贝尔奖获得者首创的光子纠缠对于传输量子信息至关重要。量子纠缠可用于构建大规模量子通信网络。

在通往长距离量子网络的道路上，Zeilinger以前的学生之一潘建伟及其同事通过卫星传输向地球上相隔764英里（1,203公里）的两个位置展示了纠缠分布。然而，量子信息的直接传输速率由于损耗而受到限制，这意味着太多的光子在传输过程中被物质吸收，因此不足以到达目的地。

通过新兴的量子中继器技术，纠缠对于解决这一障碍至关重要。Zeilinger及其同事在1998年展示了早期量子中继器的一个重要里程碑，称为纠缠交换。纠缠交换将两对纠缠光子中的每一对连接起来，从而将两个最初独立的光子纠缠在一起，这两个光子可能彼此相距很远。

量子加密如何保证机密安全。

量子保护

也许最著名的量子通信应用程序是量子密钥分发(QKD)，它允许某人安全地分发加密密钥。如果这些密钥存储得当，它们将是安全的，即使是未来强大的、破解密码的量子计算机也是如此。

虽然QKD的第一个提案没有明确要求纠缠，但随后提出了基于纠缠的版本。在这个提议之后不久，该技术的第一次演示出现在桌面上的短距离空中。由Zeilinger、Kwiat和NicolasGisin领导的研究小组首次展示了基于纠缠的QKD，并于2000年5月在同一期的《物理评论快报》上发表。

这些基于纠缠的分布式密钥可用于显着提高通信的安全性。沿着这些思路的第一个重要示范来自Zeilinger集团，该集团于2004年在奥地利维也纳进行了银行电汇。在这种情况下，QKD系统的两部分分别位于一家大型银行的总部和维也纳市政厅。携带光子的光纤安装在维也纳下水道系统中，跨越十分之九英里（1.45公里）。

出售纠缠

今天，有少数公司已经将量子密钥分发技术商业化，包括我小组的合作者Qubitekk，它专注于基于纠缠的QKD方法。在田纳西州查塔努加，我和我的同事们使用更新的商业Qubitekk系统演示了安全的智能电网通信。

量子通信、计算和传感技术引起了军事和情报界的极大兴趣。量子纠缠还有望通过光学传感和高分辨率射频检测来促进医学成像，这也可以改善GPS定位。甚至有一家公司正准备提供纠缠即服务，为客户提供对纠缠量子比特的网络访问，以实现安全通信。

还有许多其他的量子应用已经被提出，但尚未被发明出来，这些应用将由未来的纠缠量子网络实现。量子计算机可能会对社会产生最直接的影响，因为它可以直接模拟在传统数字计算机上无法很好扩展的问题。一般来说，量子计算机在运行时会产生复杂的纠缠网络。这些计算机可能对社会产生巨大影响，从减少能源消耗到开发个性化药物。

最后，纠缠量子传感器网络有望测量理论化现象，例如暗物质，这是当今传统技术无法看到的。通过数十年的基础实验和理论工作阐明了量子力学的奇异之处，催生了一个新兴的全球量子产业。

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