降噪耳机给量子通信带来启发

内容来源：中国科技论文在线

科学家利用类似于降噪耳机的原理，制造出了可以消除杂光输出单个光子的光源

这张放大的效果图中显示了砷化镓（GaAs）芯片的结构。下方的粉红色锥形表示入射的经典激光。中间的蓝色区域表示砷化铟（InAs），当经典激光通过的时候会产生单个光子。上方的粉红色锥形和蓝色锥形分别表示射出的经典激光和单光子，借助单光子便可以实现绝对安全的保密通信。（制图：Yousif Kelaita）
 
量子通信是一种对前景光明的未来通信技术。借助量子通信，我们可以和医生、银行、税务部门进行绝对安全的沟通，不必担心私人数据泄露。甚至，一旦有人试图盗取机密信息，我们也可以立即知晓。
 
然而，要想建立量子网络，并以量子通信为标准通信方式，我们还有很多技术难题需要克服，而其中最关键的一个是如何收发量子数据。在这一方面，斯坦福大学的研究人员发明了一种新型量子光源，它或许能够成为未来量子通信的基础。该研究团队在《自然•光子学》上发布了他们的这项研究成果。
 
量子通信的物理原理比较复杂。目前的标准激光源不适合用于保密通信，因为这种激光源发出的是“经典”的光，我们无法判断其携带的信息是否已经被窃取。相比之下，量子通信网络中使用的是量子光源发出的单个光子。光子是光的最小单位，一旦有人对其实施测量，就会破坏这个携带信息的光子。因此，高效的量子光源便成为量子通信系统中的重要一环。
 
Jelena Vuckovic是这篇文章的主要作者（senior author），她是斯坦福大学电气工程专业的教授，近年来正在研究纳米尺寸激光源以及相关的量子技术。她希望将传统计算机中依靠电信号通信的方式改进为光信号通信，从而提高计算机的通信速率。她带领博士生Kevin Fischer等人改进了一种纳米激光源，使其可以高效地产生单光子，用于量子通信。
 
Vuckovic说：“这项研究的关键在于如何辨认单光子，因为单光子的强度比光源所产生的杂光的强度弱很多。为此，我们找到了一种滤除杂光的方法，从而大大提升了装置识别光子信号的能力。”
 
滤除杂光所使用的方法与降噪耳机的工作原理类似：降噪耳机中含有一个传感器，可以即时侦测相对稳定的环境噪声的频率，例如马路上汽车驶过的声音、飞机引擎的轰鸣、冰箱压缩机的噪音等，然后耳机中会产生波形相似的声波，将噪音抵消掉。Vuckovic等人正是利用这种思路，消除了实验中的“光噪声”。“激光光源反馈回来的杂光会遮盖住单光子。只有把杂光从信号中扣除，我们才能找出其中隐藏的量子信号，再将量子信号加强。”Fischer解释道。
 
Vuckovic团队借鉴了20世纪30年代的无线电技术，用“干涉相消”的方法抵消掉了多余的经典光。他们首先研究清楚这些杂光的波形，然后人为制造出波形相似但相位不同的光，通过精密的调节使两种光叠加抵消，于是杂光便得以消除，有意义的单光子信号则显露出来。
 
“这是一项重大进展，为实现量子通信奠定了基础。”Vuckovic说道。目前，她正带领团队研制原型量子光源，进一步成果将在未来公布。（翻译：赵昌昊 校审：檀泽浩）