量子通信被認(rèn)為是未來(lái)信息安全的終極解決方案，但科學(xué)家們一直面臨一個(gè)難題：如何讓脆弱的量子信號(hào)在傳輸中保持穩(wěn)定？

最近，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Kejie Fang團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表論文，利用一種銦鎵磷納米光子平臺(tái)，將非線性光學(xué)技術(shù)效率提升了一萬(wàn)倍，讓量子通信向?qū)嵱没�階段更進(jìn)一步。

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利用非線性和頻產(chǎn)生（SFG）實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。非線性納米光子平臺(tái)極大地減輕了多光子噪聲，并實(shí)現(xiàn)了較高的隱形傳態(tài)保真度。

傳統(tǒng)量子通信依賴(lài)線性光學(xué)元件，這類(lèi)設(shè)備雖然穩(wěn)定，但存在先天缺陷——保真度最高只能達(dá)到33%。這意味著超過(guò)三分之二的信息可能在傳輸中丟失或被干擾。而非線性光學(xué)技術(shù)理論上能突破這個(gè)天花板，因?yàn)樗�能讓不同頻率的光子發(fā)生交互，生成全新光子，從而過(guò)濾掉噪聲信號(hào)。

不過(guò)，過(guò)去幾十年間，非線性光學(xué)系統(tǒng)需要高強(qiáng)度的光源才能工作，而量子通信恰恰依賴(lài)單光子級(jí)別的微弱信號(hào)。這個(gè)矛盾導(dǎo)致相關(guān)研究長(zhǎng)期停滯，直到納米光子學(xué)的發(fā)展帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。

量子通信的核心技術(shù)之一是量子隱形傳態(tài)。通過(guò)量子糾纏現(xiàn)象（兩個(gè)光子即使相隔萬(wàn)里也能實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)），信息可以不經(jīng)過(guò)物理信道直接傳遞。聽(tīng)起來(lái)很科幻，但現(xiàn)實(shí)中最大的干擾源是多光子噪聲——大多數(shù)糾纏光源在產(chǎn)生光子對(duì)時(shí)，總會(huì)不受控地發(fā)射額外光子。

伊利諾伊大學(xué)物理系教授Elizabeth Goldschmidt解釋?zhuān)�這種噪聲會(huì)讓系統(tǒng)誤判哪些光子是真正糾纏的。就像在一場(chǎng)嘈雜的派對(duì)上，你很難聽(tīng)清特定對(duì)話(huà)一樣，傳統(tǒng)線性光學(xué)設(shè)備無(wú)法有效過(guò)濾這些干擾。

Kejie Fang團(tuán)隊(duì)選擇的突破口是和頻生成（SFG）技術(shù)。這種非線性過(guò)程能讓兩個(gè)特定頻率的光子合并，生成一個(gè)頻率相加的新光子。關(guān)鍵在于，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到兩個(gè)同頻光子時(shí)（通常是噪聲信號(hào)），SFG過(guò)程會(huì)自動(dòng)終止，從而排除干擾。

但過(guò)去的SFG效率低到令人絕望——平均每1億次嘗試才能成功一次。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)納米光子平臺(tái)，將銦鎵磷材料的非線性效應(yīng)集中到微米級(jí)波導(dǎo)中，使光場(chǎng)強(qiáng)度提升了千倍。最終，SFG效率飆升至每1萬(wàn)次嘗試成功一次，保真度達(dá)到驚人的94%。

這項(xiàng)突破不僅解決了效率瓶頸，還帶來(lái)了意外收獲：由于非線性過(guò)程本身具有噪聲過(guò)濾特性，系統(tǒng)對(duì)糾纏光源的容錯(cuò)率大幅提高。這意味著未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)可以降低對(duì)硬件精度的要求，用更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠通信。

研究團(tuán)隊(duì)目前正致力于將效率再提升100倍，目標(biāo)是讓每個(gè)光子都能參與有效的信息傳遞。Kejie Fang透露，這項(xiàng)技術(shù)還能拓展到量子糾纏交換等領(lǐng)域，為構(gòu)建全球量子互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802