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量子通信得到突破!是降噪耳机给的启发

作者:-  发布日期:2016-03-21 21:17:02

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。

量子通信得到突破!是降噪耳机给的启发

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。

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。

Tag标签: 量子   耳机  
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