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我们准备好接收来自外太空的量子信息了吗?
在地球上 ， 量子通信通过卫星或光纤电缆网络进行 。 太空中的障碍更少 ， 所以相干信号可以传播得更远 。
【物理学家称，外星人可能从太空向我们发送量子信息】根据一项新研究 ， 外星文明可能会通过太空向遥远的地方发送量子信息 ， 我们可能最终也能做到这一点 。 为了理解这是如何工作的 ， 我们需要深入研究一下量子现象以及量子网络是如何在地球上出现的 。 在这两个截然不同的环境中 ， 量子通信的风险和优势是什么?
物理学家阿琼·贝雷拉和杰米上个月发表的最新论文表示：他们发现 ， 在地球上较小的网络中凝聚的相同量子现象 ， 可以在广阔的空间中使用;这些信息可以通过空气(或在没有空气的情况下)本身传递 ， 而不是依赖于光纤电缆等更传统的媒介 。
他们的计算表明 ， 光子光束可以传播到足够远的地方 ， 穿越整个银河系 ， 这意味着如果我们知道如何倾听 ， 这些信息可能就在我们周围 。 科学家们确定 ， 虽然这些信息在穿越银河系的长途旅行中会受到引力的影响 ， 但它们不会“decohere” ， 这是一个关键术语 ， 意思是量子现象已经脱离了微妙的量子态 。 信息可能是扭曲的 ， 但它们仍然是可读的 。 科学家们发现 ， 光谱中的光子(指可见光颜色)比不可见的x射线范围内的光子受引力的影响更小;但在x射线范围内更容易探测到重复的信息 ， 这使它们成为更好的候选者 。
地面和太空中的量子通信有一个关键的共同点:它们依赖于一种称为纠缠的量子态 。 这并不是说你只是想把信息从一个地方发送到另一个地方 ， 你是在获取一条信息 ， 并让它包含两个空间上独立的位置 。
在这种情况下 ， 这意味着位置之间有许多光年的距离 。 人们“观察”纠缠粒子的每一端都会看到完全相同的信息 。 (奇怪的是 ， 虽然信息是即时更新的 ， 但只有在光速之后才能看到 ， 就像看到闪电之后才能听到雷声的音爆一样 。 )纠缠量子态中的粒子作为一个群体 ， 作为一个群体共享信息 ， 并具有内在联系 。
把量子纠缠态想象成那些巨大的泡勺上的精致薄膜 。 当洗涤剂混合物中的所有颗粒凝聚在一起时 ， 它们可以做出看似奇迹的事情 。 但只要有任何东西破坏了电影的任何部分 ， 整个效果就被破坏了 。 在地球上 ， 纠缠的光子在光纤网络中受到保护 。 光纤的工作原理是沿着玻璃或塑料制成的“芯”反射光束 ， 无论是单模电缆还是厚多模电缆 。 这意味着地球上的介质是玻璃 ， 但太空中是稀薄的空气(或根本没有空气) 。
让光束穿过玻璃而不是空气可能在阻力和吞吐量方面更具挑战性 。 这就是为什么光纤网络 ， 以及几乎所有的通信网络 ， 最终都使用一种被称为中继器的技术的原因之一 。 这种设备通常内置在网络基础设施中 ， 吸收和增强任何信号 ， 它们适用于有线和无线互联网 。
不过 ， 在量子领域就没那么容易了 。 你如何在一个纠缠态中“重复”单个光子 ， 当观察它的行为破坏了这个状态 ， 就像支撑量子物理学的观察者效应所指示的那样?事实上 ， 这是量子纠缠在安全方面有如此丰富应用的原因之一:信息可以以一种一旦被任何观察者拦截就会自动自毁的方式存储 。 在太空中 ， 没有中继器的选择 。
在太空中发射光线在很大程度上可以避免这个问题 。 空气或缺乏空气是一种阻力较小的更容易的介质 ， 但仍然存在挑战 。 “如果你穿过我们的大气层 ， 进入太空 ，
这就是为什么来自爱丁堡的研究人员专注于信号保真度以及如何最好地接收来自外太空的摇摆光子的原因 。 在外太空 ， 他们的问题并不是真正的退相干 ， 退相干是任何一种量子数据网络的最大敌人 ， 当粒子脱离量子态 ， 连接被破坏 。 你选择的波长很重要 ， 因为这些波长具有一些特性 ， 比如x射线可以穿透人体的大部分 ， 而光学光只会投下阴影 。
在光纤网络中 ， 信号被物理地包含 ， 因为它们在电缆的拓扑结构中反弹 。 单模布线给了信号更小的反弹空间 ， 这意味着它可以比多模布线传播得更远 ， 而不会降低和失去活力 。 在太空中 ， 没有弹跳 ， 但这也意味着没有遏制 。 在引力的推动和拉动下 ， 光子可以朝任何方向飞行 。 在地球上和周围的空气中 ， 还有其他风险 ， 比如湿度;想象一下把一束光照进雾里 。 一个成功的量子信号需要像你车上的特殊雾灯一样工作 ， 试图绕过潮湿的云来避免散射光线 。
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