什么是量子通信呢？通俗的講：在量子力學里，兩個粒子在經(jīng)過短暫時間彼此耦合后，單獨攪擾其中任意一個粒子，會不可避免地影響到另外一個粒子的性質，就算他們遠隔千山萬水也能相愛相殺。這就是所謂的量子糾纏，像不像傳說中的心電感應？
科學家利用類似于降噪耳機的原理，制造出了可以消除雜光輸出單個光子的光源。
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(qū)域表示砷化銦(InAs)，當經(jīng)典激光通過的時候會產(chǎn)生單個光子。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現(xiàn)絕對安全的保密通信。(制圖：Yousif Kelaita)
然而，要想建立量子網(wǎng)絡，并以量子通信為標準通信方式，我們還有很多技術難題需要克服，而其中最關鍵的一個是如何收發(fā)量子數(shù)據(jù)。在這一方面，斯坦福大學的研究人員發(fā)明了一種新型量子光源，它或許能夠成為未來量子通信的基礎。該研究團隊在《自然·光子學》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)絡中使用的是量子光源發(fā)出的單個光子。光子是光的最小單位，一旦有人對其實施測量，就會破壞這個攜帶信息的光子。因此，高效的量子光源便成為量子通信系統(tǒng)中的重要一環(huán)。
Jelena Vuckovic是這篇文章的主要作者(senior author)，她是斯坦福大學電氣工程專業(yè)的教授，近年來正在研究納米尺寸激光源以及相關的量子技術。她希望將傳統(tǒng)計算機中依靠電信號通信的方式改進為光信號通信，從而提高計算機的通信速率。她帶領博士生Kevin Fischer等人改進了一種納米激光源，使其可以高效地產(chǎn)生單光子，用于量子通信。
Vuckovic說：“這項研究的關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。”
濾除雜光所使用的方法與降噪耳機的工作原理類似：降噪耳機中含有一個傳感器，可以即時偵測相對穩(wěn)定的環(huán)境噪聲的頻率，例如馬路上汽車駛過的聲音、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，消除了實驗中的“光噪聲”。“激光光源反饋回來的雜光會遮蓋住單光子。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。”Fischer解釋道。
Vuckovic團隊借鑒了20世紀30年代的無線電技術，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，通過精密的調(diào)節(jié)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。
“這是一項重大進展，為實現(xiàn)量子通信奠定了基礎。”Vuckovic說道。目前，她正帶領團隊研制原型量子光源，進一步成果將在未來公布。
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