如何利用X射線進行量子傳輸跨越星際距離

與常規(guī)通信方式相比，量子信號可能具有許多優(yōu)勢，這讓科學(xué)家們懷疑，人類是否不是唯一一個發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)勢的人?，F(xiàn)在一項新的研究表明，對于假設(shè)的地外文明，利用X射線進行的量子傳輸可能跨越星際距離。

量子通信依賴于一種稱為糾纏的量子現(xiàn)象。從理論上講，兩個或多個粒子（如通過糾纏“連接”的光子）可以立即相互影響，無論它們相距多遠。

糾纏對于量子隱形傳輸至關(guān)重要，在量子隱形傳輸中，數(shù)據(jù)可以在一個地方消失，在另一個地方重新出現(xiàn)。由于該信息不會穿越中間空間，因此信息不會丟失。

要實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，首先要糾纏兩個光子。然后，其中一個光子（將被傳送的光子）保持在一個位置，而另一個光子被傳送到所需的任何目的地。

接下來，分析目標(biāo)量子態(tài)中定義其關(guān)鍵特性的光子，這一行為也會破壞其量子態(tài)。糾纏將導(dǎo)致目標(biāo)光子與其伙伴完全相同。出于所有意圖和目的，原點的光子“傳送”到目標(biāo)點 —— 物理物質(zhì)沒有移動，但這兩個光子在物理上是不可區(qū)分的。

更清楚的是，量子隱形傳態(tài)發(fā)送信息的速度不能超過光速，因為目標(biāo)光子仍然必須通過常規(guī)手段傳輸。

量子通信的一個弱點是糾纏是脆弱的。盡管如此，研究人員已經(jīng)成功地傳輸了糾纏光子，這些光子保持穩(wěn)定或“相干”，足以在1400公里的距離上實現(xiàn)量子隱形傳輸。

這些發(fā)現(xiàn)讓愛丁堡大學(xué)的理論物理學(xué)家Arjun Berera懷疑量子信號到底能保持多遠的相干。首先，他發(fā)現(xiàn)量子相干性可能存在于我們銀河系的星際距離中，然后他和他的同事們發(fā)現(xiàn)量子相聯(lián)性可以存在于星系間距離中。

Berera說：“如果地球大氣層中的光子沒有衰減到100公里，那么在星際空間中，介質(zhì)密度比我們的大氣層低得多，光子就不會衰減到銀河系的大小?！?/p>

在這項新的研究中，研究人員調(diào)查了量子通信是否以及如何在星際距離中生存。他們指出，量子信號可能會受到許多因素的干擾，如星際物體的引力。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)星際信息的最佳量子通信信道是X射線。這種頻率在星際距離上更容易聚焦和探測。（美國宇航局通過其XCOM實驗測試了深空X射線通信。）研究人員還發(fā)現(xiàn)，光學(xué)和微波波段也可以實現(xiàn)遠距離通信，盡管不如X射線有效。

雖然相干性可能在星際距離內(nèi)存在，但Berera確實注意到量子信號可能會失去保真度?！斑@意味著量子態(tài)是持續(xù)的，但它可以有一個相移，盡管量子信息在這些態(tài)中保留下來，但由于重力的影響，它已經(jīng)被改變。因此，它可能“需要在接收端做一些工作來解釋這些相移，并能夠評估原始狀態(tài)中包含的信息?！?/p>

為什么星際文明可以傳輸量子信號而不是常規(guī)信號？研究人員指出，量子通信可以實現(xiàn)比經(jīng)典信道更大的數(shù)據(jù)壓縮，在某些情況下，速度可以達到指數(shù)級。這樣的效率提升可能對星際距離相隔的文明非常有用。

“這可能是因為量子通信是外星世界的主要通信模式，所以他們只是利用手頭的東西向宇宙發(fā)送信號，”Berera說。