量子通信再獲重大進(jìn)展！竟然是降噪耳機帶來(lái)了啟發(fā)

　　科學(xué)家利用類(lèi)似于降噪耳機的原理，制造出了可以消除雜光輸出單個(gè)光子的光源。

　　這張放大的效果圖中顯示了砷化鎵(GaAs)芯片的結構。下方的粉紅色錐形表示入射的經(jīng)典激光。中間的藍色區域表示砷化銦(InAs)，當經(jīng)典激光通過(guò)的時(shí)候會(huì )產(chǎn)生單個(gè)光子。上方的粉紅色錐形和藍色錐形分別表示射出的經(jīng)典激光和單光子，借助單光子便可以實(shí)現絕對安全的保密通信。(制圖：Yousif Kelaita)

　　然而，要想建立量子網(wǎng)絡(luò )，并以量子通信為標準通信方式，我們還有很多技術(shù)難題需要克服，而其中最關(guān)鍵的一個(gè)是如何收發(fā)量子數據。在這一方面，斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新型量子光源，它或許能夠成為未來(lái)量子通信的基礎。該研究團隊在《自然·光子學(xué)》上發(fā)布了他們的這項研究成果。

　　量子通信的物理原理比較復雜。目前的標準激光源不適合用于保密通信，因為這種激光源發(fā)出的是“經(jīng)典”的光，我們無(wú)法判斷其攜帶的信息是否已經(jīng)被竊取。相比之下，量子通信網(wǎng)絡(luò )中使用的是量子光源發(fā)出的單個(gè)光子。光子是光的最小單位，一旦有人對其實(shí)施測量，就會(huì )破壞這個(gè)攜帶信息的光子。因此，高效的量子光源便成為量子通信系統中的重要一環(huán)。

　　Jelena Vuckovic是這篇文章的主要作者(senior author)，她是斯坦福大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)的教授，近年來(lái)正在研究納米尺寸激光源以及相關(guān)的量子技術(shù)。她希望將傳統計算機中依靠電信號通信的方式改進(jìn)為光信號通信，從而提高計算機的通信速率。她帶領(lǐng)博士生Kevin Fischer等人改進(jìn)了一種納米激光源，使其可以高效地產(chǎn)生單光子，用于量子通信。

　　Vuckovic說(shuō)：“這項研究的關(guān)鍵在于如何辨認單光子，因為單光子的強度比光源所產(chǎn)生的雜光的強度弱很多。為此，我們找到了一種濾除雜光的方法，從而大大提升了裝置識別光子信號的能力?！?/p>

　　濾除雜光所使用的方法與降噪耳機的工作原理類(lèi)似：降噪耳機中含有一個(gè)傳感器，可以即時(shí)偵測相對穩定的環(huán)境噪聲的頻率，例如馬路上汽車(chē)駛過(guò)的聲音、飛機引擎的轟鳴、冰箱壓縮機的噪音等，然后耳機中會(huì )產(chǎn)生波形相似的聲波，將噪音抵消掉。Vuckovic等人正是利用這種思路，消除了實(shí)驗中的“光噪聲”?！凹す夤庠捶答伝貋?lái)的雜光會(huì )遮蓋住單光子。只有把雜光從信號中扣除，我們才能找出其中隱藏的量子信號，再將量子信號加強?！盕ischer解釋道。

　　Vuckovic團隊借鑒了20世紀30年代的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，用“干涉相消”的方法抵消掉了多余的經(jīng)典光。他們首先研究清楚這些雜光的波形，然后人為制造出波形相似但相位不同的光，通過(guò)精密的調節使兩種光疊加抵消，于是雜光便得以消除，有意義的單光子信號則顯露出來(lái)。

　　“這是一項重大進(jìn)展，為實(shí)現量子通信奠定了基礎?！盫uckovic說(shuō)道。目前，她正帶領(lǐng)團隊研制原型量子光源，進(jìn)一步成果將在未來(lái)公布。