光子凈化技術(shù)助力量子網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更快更安全的未來

光可能是歷史上最干凈的信息載體之一——但在量子世界中，即使是光也會變得嘈雜。

愛荷華大學(xué)的研究人員表示，他們找到了一種凈化光子的方法，可能消除了更快的量子計算機(jī)和更安全的通信網(wǎng)絡(luò)的一個主要障礙。

這一進(jìn)展解決了光子技術(shù)長期以來的一個問題：如何可靠地生成完美有序的單光子流。

單光子是光子量子系統(tǒng)的核心。與在一和零之間切換的經(jīng)典比特不同，量子系統(tǒng)依賴于量子比特——通常是單個光子——來處理和傳輸信息。

但是，一次性產(chǎn)生單個光子，而不出現(xiàn)雜散光或重復(fù)光子，已被證明極其困難。

兩個持續(xù)存在的問題減緩了進(jìn)展。一個是激光散射，即用于激發(fā)原子的激光會無意中產(chǎn)生額外的光子。

另一種現(xiàn)象是，當(dāng)原子同時發(fā)射多個光子時，會破壞量子保真度所需的微妙單光子流。

愛荷華大學(xué)的團(tuán)隊沒有試圖獨(dú)立抑制這些效應(yīng)，而是采取了反直覺的方法：讓噪聲相互對抗。

他們的理論研究表明，激光散射和多光子發(fā)射產(chǎn)生的多余的光子具有幾乎相同的波長和波形特征。

通過仔細(xì)調(diào)整激光的特性，這兩種噪聲源可以互相抵消，從而留下更純凈的光子流。

研究人員表示，這個想法可能會消除光子量子硬件擴(kuò)展的兩個主要障礙。接下來他們計劃進(jìn)行實(shí)驗測試。

將噪聲轉(zhuǎn)化為有用的資源

“我們已經(jīng)證明，通常被認(rèn)為是麻煩的激光散射光，其實(shí)可以用來抵消不必要的多光子發(fā)射，”物理與天文學(xué)系的助理教授、該研究的通訊作者Ravitej Uppu說。

“這個理論突破可能會把一個長期存在的問題變成推動量子技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大新工具。”

這個發(fā)現(xiàn)的核心是研究生Matthew Nelson的工作，他找到了不必要的光子和激光光之間的光譜重疊。

這個洞察為我們使用精確的激光控制——比如光束的角度和形狀——來抑制多余的光子發(fā)射打開了大門。

“如果我們能精確控制激光束照射在原子上的方式——比如它的入射角、光束的形狀等等——實(shí)際上可以讓它抵消原子喜歡發(fā)射的所有額外光子，”Uppu解釋說。

“我們將得到一條實(shí)際上非常純凈的光子流。”

為什么純度很重要

光子純度不僅僅是一個技術(shù)細(xì)節(jié)。在光子量子計算中，有序的單光子流更容易控制、同步和進(jìn)行擴(kuò)展。它們還減少了可能導(dǎo)致量子操作失敗的錯誤和干擾的風(fēng)險。

這也關(guān)系到安全性。單光子通信通道更難被攔截或竊聽，使其在量子加密和安全數(shù)據(jù)傳輸中更具吸引力。

一個干凈且可預(yù)測的光子源能增強(qiáng)這些保護(hù)措施。

光子技術(shù)在量子行業(yè)中正逐漸興起，幾家初創(chuàng)公司正在押注于基于光的系統(tǒng)，認(rèn)為它們將在速度和能效上超越電子產(chǎn)品。

但沒有可靠的單光子源，這些目標(biāo)面臨著嚴(yán)峻的限制。

愛荷華大學(xué)團(tuán)隊的研究目前仍處于理論階段，但研究人員正在準(zhǔn)備實(shí)驗室實(shí)驗來驗證這個模型。