新系統使用量子物理學原理檢測微弱的通信信號

2020-10-03 工程學習

進入的信號(紅色,左下)通過分束器到達光子檢測器,該檢測器具有一個附加的時間寄存器(右上)。接收器將參考光束髮送到分束器以消除入射脈衝,從而不會檢測到光。如果甚至檢測到一個光子,則意味著接收器使用了不正確的參考光束,需要對其進行調整。接收器使用光子檢測的準確時間以較少的猜測來進行正確的調整。記錄的檢測時間和參考光束頻率的歷史記錄的組合用於查找輸入信號的頻率。來源:NIST

美國國家標準技術研究院(NIST)的研究人員已經設計並演示了一種系統,該系統可以顯著提高通信網絡的性能,同時在檢測最微弱的信號時實現創紀錄的低錯誤率,從而有可能減少所需的能源總量對於最先進的網絡,其係數是10到100。

原理證明系統由新穎的接收器和相應的信號處理技術組成,與當今網絡中使用的方法不同,該技術完全基於量子物理學的特性,因此甚至能夠處理帶有脈衝的極弱信號許多數據。

聯合量子研究所的物理學家伊萬·布倫科夫說:「我們使用現成的組件構建了通信測試臺,以證明可以進行量子測量的通信有可能擴大到廣泛的商業用途。」 NIST和馬裡蘭大學。Burenkov和他的同事在Physical Review X Quantum中報告了結果。「我們的努力表明,量子測量對電信而言還有其他寶貴的,前所未有的優勢,從而帶來了信道帶寬和能效方面的革命性改進。」

現代通信系統通過將信息轉換成雷射產生的數字光脈衝流來工作,在該數字光脈衝流中,信息以光波屬性的變化形式進行編碼,以進行傳輸,然後在到達接收器時進行解碼。脈衝序列隨著其沿著傳輸信道傳播而變得越來越微弱,並且用於接收和解碼數據的常規電子技術已經達到了其精確檢測這種衰減信號中的信息的能力極限。

信號脈衝會逐漸減弱,直到它變得弱到只有幾個光子,甚至平均少於一個。那時,不可避免的隨機量子波動(稱為「散粒噪聲」)使正常(相對於量子而言,「經典」)技術無法準確接收信號,因為由噪聲引起的不確定性構成了衰減信號的很大一部分。結果,現有系統必須沿傳輸線重複放大信號,並且要付出相當大的能源成本,以使它們足夠強以可靠地進行檢測。

NIST團隊的系統可以消除對放大器的需求,因為它可以可靠地處理極其微弱的信號脈衝:「傳輸一位所需的總能量成為阻礙網絡發展的根本因素,」 NIST的高級科學家謝爾蓋·波利亞科夫(Sergey Polyakov)說球隊。「目標是減少雷射器,放大器,探測器和支持設備所需的能量總和,以可靠地在更長的距離上傳輸信息。在我們的工作中,我們證明了藉助量子測量,即使微弱的雷射脈衝也可以用於傳達多點信息,這是朝著這個目標邁出的必要一步。」

為了提高信息傳輸的速度,網絡研究人員正在尋找通過使用光波的其他屬性對每個脈衝編碼更多信息的方法。因此,單個雷射脈衝可以傳輸多位數據,具體取決於最初準備傳輸的方式。為了提高檢測精度,可以將量子增強型接收器安裝到經典網絡系統上。迄今為止,這些混合組合每個脈衝最多可以處理兩位。NIST量子系統最多使用16個不同的雷射脈衝來編碼多達4位。

為了證明這種能力,NIST研究人員創建了與弱衰減的常規網絡信號相當的微弱雷射脈衝輸入,每個脈衝的平均光子數為0.5到20(儘管光子是完整粒子,數量少於一個,簡單地表示某些脈衝不包含光子)。

在準備好此輸入信號之後,NIST研究人員便利用了其波狀特性(例如幹擾),直到它最終以光子(粒子)的形式撞擊檢測器。在量子物理學領域,光可以充當粒子(光子)或波,具有諸如頻率和相位(波峰的相對位置)之類的屬性。

在接收器內部,輸入信號的脈衝序列與單獨的可調參考雷射束結合(幹擾),該參考雷射束控制合成光流的頻率和相位。在這樣的微弱信號中,讀取不同的編碼狀態非常困難。因此,NIST系統旨在通過嘗試使參考雷射的特性與之完全匹配來測量整個信號脈衝的特性。研究人員通過一系列連續的信號測量來實現這一點,每次測量都增加了精確匹配的可能性。

這是通過調整參考脈衝的頻率和相位來完成的,以便當它們在分束器處合併時,對信號產生破壞性幹擾,從而完全消除信號,從而無法檢測到光子。在此方案中,散粒噪聲不是一個因素:完全消除沒有不確定性。

因此,與直覺相反,完美精確的測量結果不會導致光子到達檢測器。如果參考脈衝的頻率錯誤,則光子可以到達檢測器。接收器使用該光子檢測的時間來預測最可能的信號頻率,並相應地調整參考脈衝的頻率。如果該預測仍然不正確,則基於兩個光子檢測時間,下一個光子的檢測時間將導致更準確的預測,依此類推。

Burenkov說:「一旦信號與參考光束髮生相互作用,檢測到光子的概率就會隨時間變化,因此,光子檢測時間包含有關輸入狀態的信息。我們使用該信息來最大程度地提高在經過檢測後正確猜測的機會。第一個光子檢測。

「我們的通信協議旨在為信號和參考光的不同組合提供不同的時間輪廓。然後可以使用檢測時間來確定輸入狀態之間的區別。確定性在開始時可能很低,但是我們希望在第一次光子檢測後將參考脈衝切換到正確的狀態,因為信號僅包含幾個光子,並且我們使用正確的參考測量信號的時間越長,我們對信號的信心就越大。結果是。」

Polyakov討論了可能的應用。他說:「網際網路的未來指數級增長將要求通信背後的技術發生範式轉變。」 「量子測量可能成為這項新技術。我們證明了採用新型量子接收器和最佳編碼協議的低誤碼率。我們的方法可以顯著降低電信能耗。」

相關焦點

  • 新系統使用量子物理原理探測微弱的通信信號
    美國國家標準與技術研究院(NIST)的研究人員設計並演示了一種系統,該系統可以大幅提高通信網絡的性能,同時在檢測哪怕是最微弱的信號時也能實現創紀錄的低錯誤率,有可能將最先進的網絡所需的總能量減少10到100倍。這個原理驗證系統由一個新型的接收機和相應的信號處理技術組成,與當今網絡中使用方法不同的是,它完全基於量子物理的特性,從而能夠處理攜帶大量數據的極其微弱的脈衝信號。
  • 基於混沌理論的微弱信號檢測的DSP實現
    >理論的微弱信號檢測原理;深入討論其應用於DSP的實用化,構建一個優化的TMS320C6203為核心的真實系統,實時實現基於混沌方法的微北信號檢測。如何檢測這種強噪聲幹擾情況下的微弱信號,是信號處理中的重要研究內容。許多科研工作者已提出了一些有效的處理方法,如基於高增益的寬帶波束形成的微弱信號檢測方法及微弱信號的相干檢測法等,但都存在靈敏度不高或適應性不強的問題。混沌系統對小信號的敏感性及對噪聲的強免疫力,使它在微弱信號檢測中的應用潛力很大。
  • 新技術改善量子通信,糾纏聲子
    -聲音的量子粒子-為潛在的新技術打開了大門量子通信-通過粒子(通常是糾纏的光子)發送信息,它有可能成為最終的安全通信通道。竊聽量子通信幾乎是幾乎不可能的,那些嘗試的人也將留下他們竊聽行為的證據。但是,通過光子在傳統的通道(例如光纖線路)上通過光子發送遠距離量子信息是很困難的:攜帶信息的光子經常被破壞或丟失,使信號變得微弱或不連貫。通常,必須多次發送一條消息,以確保它能夠通過。
  • 什麼是量子安全通信原理?
    量子保密通信泛指利用量子態作為信息載體來傳遞信息的傳輸方式,其安全性由量子原理來保證,具備高度的安全性。量子通信的顯著優勢是具備感知竊聽的能力,即非法第三方對載體信號的量子態的竊聽行為將不可避免地留下痕跡,從而被合法通信方發現。自1984年Bennett和Brassard提出首個量子密鑰分發協議(簡稱BB84協議)以來[2],許多量子保密通信理論方案相繼被提出且得到試驗驗證,並向實用化發展。
  • 量子通信,到底是什麼工作原理?
    1900年10月19日,為了解決黑體輻射的紫外災難,普朗克在德國物理學會上報告了關於黑體輻射的研究結果,成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。在同年的12月14日(歷史上也把這天認為是量子物理的誕生日),他發表了《關於正常光譜的能量分布定律》論文,得到一個重要結論:能量是由確定數目的、彼此相等的、有限的能量包構成。
  • 改善量子通信的糾纏聲子新技術
    量子通信,即通過量子粒子,通常是糾纏的光子,發送信息,它有可能成為最終的安全通信渠道,竊聽量子通信幾乎是不可能的。但是,通過光子在傳統的通道,例如光纖線路上通過光子發送量子信息較困難:攜帶信息的光子經常被破壞或丟失,使信號變得微弱或不連貫。通常,必須多次發送一條消息,以確保它能夠運行。
  • 「量子通信」不懂通信原理
    「量子通信」不懂通信原理:首先我們來分析通信原理,我們的手機無線通信,是手機發射能量信號,這個信號能量扇動空氣,空氣振動傳播至遠方,被遠方接收器感應到此能量的空氣振動信號,從而產生通信。信號是能量,能量強弱及強弱變化頻率可以代表無數的信號。什麼信號,在於人設定它的強弱與頻率,並告知對方,從而產生通信,知曉信號意思。
  • 量子糾纏的量子通信原理以及多重態和量子多粒子通信
    量子通信是一種新型通信方式,是在光傳播的狀態下可測量發送和接收的光信號的特定頻率的狹義量子基態的能量演化的多重態的糾纏態通信,包括向不同方向發送光,只要有一個方向是穿透了的,就可以達到分布式的量子糾纏態。
  • 量子通信原理
    由於2016年8月16號墨子號衛星的升空,很多人對量子通信非常感興趣。量子通信是建立在量子糾纏基礎上的,而量子糾纏不是容易理解的物理現象對其真實性一直就存在懷疑的聲音。因此對量子通信衛星也出現了懷疑和反對的聲音,有人認為是量子通信本身就是一個忽悠。本文試圖從物理學的基本原理出發介紹量子通信物理原理以及墨子號衛星可能要進行的物理實驗。
  • 研究人員開發出可檢測微弱信號的新型傳感器
    研究人員開發出可檢測微弱信號的新型傳感器引入噪聲以改善微弱信號是動物領域中常見的傳感現象。然而,在人造傳感器的情況下卻較難辦到。研究人員研究了將該技術應用於傳感器,以檢測太微弱而無法捕獲的信號。賓夕法尼亞州立大學(Penn State)的科學家現在已經引入了少量的背景噪聲,以改善太暗而無法感知的光源中的微弱信號。
  • 一波未平一波又起 量子通信被黑何時了?
    1)實驗顯示,黑客可以把微弱的雷射注入進量子密鑰分發(QKD)的發射光源,從而導致QKD信號強度增加;2)理論證明,QKD的信號強度的意外增加會嚴重影響QKD的安全性;3)以上的理論證明不僅適用於QKD的誘騙態BB84協議和MDI-QKD協議,而且也適用於以誘騙態為基礎的其它量子密碼協議。
  • 徐令予:科學論文再揭量子通信漏洞
    1)實驗顯示,黑客可以把微弱的雷射注入到量子密鑰分發(QKD)的發射光源,從而導致QKD信號強度增加; 2)理論證明,QKD的信號強度的意外增加會嚴重影響QKD的安全性; 3)以上的理論證明不僅適用於QKD的誘騙態BB84協議和MDI-QKD協議,而且也適用於以誘騙態為基礎的其它量子密碼協議。 實驗裝置見圖2左。
  • 光電檢測系統的原理和設計方法
    光電檢測技術從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學系統把待檢測的非電量信息變換成為便於接受的光學信息,然後用光電探測器件將光學信息量變換成電量,並進一步經過電路放大、處理,以達到電信號輸出的目的。然後採用電子學、資訊理論、計算機及物理學等方法分析噪聲產生的原因和規律,以便於進行相應的電路改進,更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點與相關性,從而了解非電量的狀態。
  • 日常生活中的量子物理學實例
    因此,螢光燈的熱量更低、能源效率更高且使用壽命更長。螢光燈正是基於量子物理原理。早在1800年代初期,物理學家注意到元素周期表中的每個元素都有一個獨特的光譜:如果原子被加熱後成蒸氣發散,它們會以少量離散頻率發光,每種元素的模式都不同。這些「光譜線」被迅速用來識別未知物質的成分,甚至發現先前未知元素的存在,例如,氦首先被檢測為來自太陽光的先前未知光譜線。
  • 墨子號: 樹起量子通信中國標杆
    由於量子不可克隆原理,量子通信的信號不能像經典通信那樣被放大,又由於光纖信道的固有衰減,量子通信的距離受到很大限制。利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點,通過衛星輔助可以大大擴展量子通信距離。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。「墨子號」量子科學實驗衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心成功發射,2017年1月18日正式開展科學實驗。
  • 工程師:一種微弱光信號前置放大電路的設計
    光電檢測技術從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學系統把待檢測的非電量信息變換成為便於接受的光學信息,然後用光電探測器件將光學信息量變換成電量,並進一步經過電路放大、處理,以達到電信號輸出的目的。然後採用電子學、資訊理論、計算機及物理學等方法分析噪聲產生的原因和規律,以便於進行相應的電路改進,更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號的特點與相關性,從而了解非電量的狀態。
  • 專家鋒評:對量子通信來說,最重要的是什麼?
    前面說了使用方面的一些態度,下面說說量子密鑰分發吧。量子糾纏態筆者發現曹先生一直使用早期的「通訊」一詞而不是現在的「通信」,不知道是不是想把信號傳輸和信息傳輸區分開來。愛因斯坦在1905年提出了光量子假說,成功地解釋了光電效應現象,這是光電信號轉換原理的基礎。1921年,他因為這一學說獲得了諾貝爾物理學獎。2009年獲得諾貝爾物理學獎的華人學者是高錕,他取得了光纖物理學上的突破性成果,發現了如何使光在光導纖維中進行遠距離傳輸,這項成果最終促使光纖通信系統問世。沒有高錕堅持不懈的研究,就沒有今天的網際網路時代。
  • 「墨子號」量子衛星天地通信試驗現場照片公布
    據量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉此前介紹,「墨子號」承擔著發射和傳輸光信號的重要任務,要想保證距離地球表面數百公裡的光信號能夠順利被地面光學天線接收,難度就好比是「針尖對麥芒」一樣。 他解釋說,由於衛星發射的光信號是極其微弱的單光子級別,在由空間向地面傳輸的過程中會受到許多因素的幹擾,比如星光、燈光等都將成為幹擾信號傳輸的背景噪聲。
  • 量子通信,到底是什麼工作原理?(深度燒腦)
    1900年10月19日,為了解決黑體輻射的紫外災難,普朗克在德國物理學會上報告了關於黑體輻射的研究結果,成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。在同年的12月14日(歷史上也把這天認為是量子物理的誕生日),他發表了《關於正常光譜的能量分布定律》論文,得到一個重要結論:能量是由確定數目的、彼此相等的、有限的能量包構成。
  • 量子通信的源頭——單光子源技術
    日前,我國自主研發的"墨子號"衛星在酒泉衛星發射中心發射,首次實現衛星與地面之間量子通信聯接。自此,量子通信這一前沿科技開始走入大眾視線。  量子通信中有三項核心技術,分別是單光子源技術、量子編碼和傳輸技術、單光子檢測技術。大量研究已經證明使用單光子源的量子通信是絕對安全的,並且具有很高的效率。