哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究所的研究人員已經開發出一種創造量子存儲器的新方法：一個小鼓可以在其聲波振動中存儲隨光發送的數據，然後，在再次需要時用新的光源轉發數據。研究結果表明，量子數據的機械存儲可能是一種策略，爲超高速度的超安全互聯網鋪平道路。

就在尼爾斯·玻爾的舊辦公室下面是一個地下室，裏面散亂的桌子上擺滿了小鏡子、激光器和各種各樣的設備，這些設備由電線網和成堆的膠帶連接在一起。

雖然普通人很難辨別出這些桌子實際上是一系列世界領先的研究項目的所在地，但重要的事情正在發生在如此小的世界裏，甚至連牛頓定律都不適用。這就是尼爾斯·玻爾的量子物理繼承人正在開發最尖端的量子技術的地方。

其中一個項目脫穎而出（至少對物理學家來說），因爲這個肉眼可見的小發明能夠實現量子態。量子鼓是一種由陶瓷、玻璃狀材料制成的小薄膜，其邊緣有整齊的孔。

它是如何工作的

在攜帶數據的光信號撞擊量子鼓膜之前，“輔助激光器”確保來自環境條件的膜的自然振動得到控制。這是穩定振膜與鼓的節拍，這是在它最喜歡的確切頻率。這就是所謂的共振。

當鼓與輔助激光共振時，它變得非常敏感，這使得它能夠以量子精度檢測存儲在攜帶數據的光中的信號。

一旦充滿數據的光照射進來，它的信號就成爲鼓振動的一部分。在這裏，它們可以穩定地保存在一種聲音存儲器中，然後再通過第三道激光發送出去，第三道激光射向鼓，並通過電纜鏡像出原始光信號編碼的數據。

當鼓被激光敲擊時，它開始振動，並且振動得如此之快和不受幹擾，以至于量子力學開始發揮作用。這一特性開辟了許多量子技術的可能性，長期以來引起了轟動。

現在，該研究所在多個量子領域的合作表明，鼓也可以在未來的量子計算機網絡中發揮關鍵作用。就像現代煉金術士一樣，研究人員通過將光信號轉換成聲波振動，創造了一種新的“量子記憶”形式。

在一篇剛剛發表的研究文章中，研究人員已經證明，量子計算機發出的量子數據可以作爲光信號 —— 例如，通過已經用于高速互聯網連接的光纖電纜 —— 以振動的形式存儲在鼓中，然後轉發。

先前的實驗向研究人員證明，膜可以保持在一個脆弱的量子態。在此基礎上，他們認爲鼓應該能夠在不“退相幹”的情況下接收和傳輸量子數據，即在量子計算機准備就緒時失去其量子態。

尼爾斯玻爾研究所的博士後馬德斯·比傑雷加·克裏斯滕森是這篇新研究文章的主要作者，他說：“這爲量子計算機真正做到我們所期望的事情開辟了廣闊的前景。量子存儲器很可能是遠距離發送量子信息的基礎。因此，我們開發的是具有量子速度和量子安全的未來互聯網基礎上的關鍵部分。”

超高速、超安全

當在兩台量子計算機之間遠距離傳輸信息時，或者在量子互聯網中的許多量子計算機之間傳輸信息時，信號很快就會被噪聲淹沒。光纜的長度越大，光纜中的噪聲量呈指數增長。最終，數據無法再解碼。

傳統的因特網和其他主要的計算機網絡，通過放大傳輸路線上的小站點的信號來解決這個噪聲問題。但要讓量子計算機應用類似的方法，它們必須首先將數據轉換爲普通的二進制數系統，比如普通計算機使用的二進制數系統。

實際上這是不行的。這樣做會減慢網絡速度，使其容易受到網絡攻擊，因爲在量子計算機的未來，經典數據保護有效的可能性非常低。

計算機和量子數據

一台經典的計算機就像一個巨大的開關網絡，可以處于開或關的位置。這些系統被稱爲二進制，因爲這兩種狀態構成了計算機執行計算的基礎。就像算盤上的珠子一樣，開和關的開關形成了二進制代碼的模式。

量子計算機在量子力學的幫助下進行計算，並利用其“量子開關”（或量子位）可以處于量子狀態，包括疊加態，即它們同時開啓和關閉。這使得量子計算機能夠以傳統計算機無法做到的方式快速管理大量信息。

通過光信號傳輸的量子數據只要足夠不受幹擾，就能保持其量子態。而且，尼爾斯玻爾研究所的量子鼓可以不受幹擾地接收和轉發信號。

克裏斯滕森說：“相反，我們希望量子鼓能夠承擔這項任務。它已經顯示出巨大的前景，因爲它非常適合從量子計算機接收和重新發送信號。因此，我們的目標是通過量子鼓接收和重傳信號的站來擴展量子計算機之間的連接，這樣做可以避免噪聲，同時保持數據處于量子狀態。”。

他補充道：“這樣一來，量子計算機的速度和優勢，例如，在某些複雜的計算方面，將擴展到網絡和互聯網上，因爲它們將通過利用量子態特有的疊加和糾纏等特性來實現。”

如果成功，這些站點還將能夠擴展量子安全連接，其量子密碼也可以通過鼓來延長。在未來的量子互聯網中，這些安全的信號可以在不同的距離上發送，無論是圍繞量子網絡還是跨越大西洋。

靈活、實用，可能是突破性的量子RAM

其他地方正在進行研究，尋找一種替代方法，將攜帶數據的光源對准原子系統，暫時轉移原子中的電子，但這種方法有其局限性。

“你能用原子系統做的事情是有限的，因爲我們不能設計原子或它們與我們相互作用的光的頻率。我們相對‘大’的機械系統提供了更大的靈活性。我們可以修補和調整，這樣，如果新的發現改變了遊戲規則，量子鼓就很有可能被適應，”研究文章的合著者阿爾伯特·施裏瑟教授解釋說。

他指出：“不管是好是壞，我們作爲研究人員的能力在很大程度上決定了這一切運作的極限。”

量子安全連接

該方法包括以超短光信號發送量子數據的量子位：一對糾纏的光子可以用來創建幾乎不可破解的密碼。

這些類型的連接也確保了任何試圖入侵的企圖都將被暴露，正如量子定律所說，無論何時觀察到什麽東西，它都會發生變化。

量子鼓是最新也是最嚴肅的機械量子存儲器，因爲它結合了許多特性：鼓具有低信號損失——即數據信號的強度被很好地保留。它還有一個巨大的優勢，那就是能夠處理所有的光頻率，包括現代互聯網賴以建立的光纖電纜中使用的頻率。

量子鼓也很方便，因爲數據可以隨時存儲和讀取。研究人員已經實現了創紀錄的23毫秒的記憶時間，這使得這項技術更有可能有朝一日成爲量子網絡系統和量子計算機硬件的基石。

研究人員表示：“我們很早就開始了這項研究。量子計算和通信仍處于早期發展階段，但根據我們獲得的內存，可以推測量子鼓有一天會被用作量子RAM，一種用于量子信息的臨時‘工作內存’。這將是開創性的。”

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