量子通信更上一層樓：降噪耳機(jī)帶來了啟發(fā)

什么是量子通信呢？通俗的講：在量子力學(xué)里，兩個(gè)粒子在經(jīng)過短暫時(shí)間彼此耦合后，單獨(dú)攪擾其中任意一個(gè)粒子，會(huì)不可避免地影響到另外一個(gè)粒子的性質(zhì)，就算他們遠(yuǎn)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(yīng)？

科學(xué)家利用類似于降噪耳機(jī)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(jié)構(gòu)。下方的粉紅色錐形表示入射的經(jīng)典激光。中間的藍(lán)色區(qū)域表示砷化銦(InAs)，當(dāng)經(jīng)典激光通過的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生單個(gè)光子。上方的粉紅色錐形和藍(lán)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(xiàn)絕對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)。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量子通信的基礎(chǔ)。該研究團(tuán)隊(duì)在《自然·光子學(xué)》上發(fā)布了他們的這項(xiàng)研究成果。

量子通信的物理原理比較復(fù)雜。目前的標(biāo)準(zhǔn)激光源不適合用于保密通信，因?yàn)檫@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(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(duì)其實(shí)施測(cè)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(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(xué)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(guān)的量子技術(shù)。她希望將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中依靠電信號(hào)通信的方式改進(jìn)為光信號(hào)通信，從而提高計(jì)算機(jī)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：“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵在于如何辨認(rèn)單光子，因?yàn)閱喂庾拥膹?qiáng)度比光源所產(chǎn)生的雜光的強(qiáng)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(shí)別光子信號(hào)的能力。”

濾除雜光所使用的方法與降噪耳機(jī)的工作原理類似：降噪耳機(jī)中含有一個(gè)傳感器，可以即時(shí)偵測(cè)相對(duì)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(jī)引擎的轟鳴、冰箱壓縮機(jī)的噪音等，然后耳機(jī)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(yàn)中的“光噪聲”。“激光光源反饋回來的雜光會(huì)遮蓋住單光子。只有把雜光從信號(hào)中扣除，我們才能找出其中隱藏的量子信號(hào)，再將量子信號(hào)加強(qiáng)。”Fischer解釋道。

Vuckovic團(tuán)隊(duì)借鑒了20世紀(jì)30年代的無線電技術(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(hào)則顯露出來。

“這是一項(xiàng)重大進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)量子通信奠定了基礎(chǔ)。”Vuckovic說道。目前，她正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制原型量子光源，進(jìn)一步成果將在未來公布。