《電子技術(shù)應(yīng)用》
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量子通信再獲重大進(jìn)展 竟然是降噪耳機(jī)帶來(lái)了啟發(fā)

2016-03-24

  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(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(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(lái)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(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(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(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(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(shuō):“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(guò)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”?!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(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)?!盕ischer解釋道。

  Vuckovic團(tuán)隊(duì)借鑒了20世紀(jì)30年代的無(wú)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(guò)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(lái)。

  “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)?!盫uckovic說(shuō)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(lái)公布。


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