科学家提出“净化”光子的新方法

美国爱荷华大学物理与天文学系研究团队近日提出一套全新的理论方案，有望从源头上“净化”量子光源输出的光子流，为更高效、更安全的光子量子计算和量子通信铺平道路。

在现有光子量子技术中，单光子源是量子线路的核心，但要获得稳定、纯净的单光子流一直面临两大技术瓶颈。 第一是激光散射：实验中通常用激光照射原子以激发其发射光子，但同时会引入额外的散射光子，相当于光学线路中的“杂散电流”，降低系统效率。 第二个问题则来自原子本身的偶发多光子发射事件，当原子一次性释放出多个光子时，原本应当整齐“单列通过”的光子流被打乱，削弱了光量子线路的精确性和可控性。

该研究的关键发现是：当原子偶尔发出多光子时，这些多光子在光谱颜色分布以及波形上，与激发它们的激光本身高度相似。 正是这种相似性，使研究人员意识到可以主动利用激光散射这一原本被视为“噪声”的成分，通过精细调控，让激光散射光与多光子发射在空间与相位上发生干涉，从而相互抵消不需要的多余光子。 研究团队给出的理论模型表明，在合适的条件下，这种“噪声助攻”可以显著压制多光子成分，保留下更为纯净的单光子输出。

在光子量子计算中，信息由光子这样的量子比特来承载，相比传统电子比特，光子在速度、传输损耗以及抗干扰方面具有优势，因此被多家初创企业视为未来量子计算与量子通信的重要技术路线之一。 单光子源的可控性和纯度直接关系到系统的扩展能力和安全性：有序的单光子流不仅便于大规模线路集成，还能降低信息在传输过程中被窃听或篡改的风险。

论文通讯作者、爱荷华大学物理与天文学系助理教授拉维泰杰·乌普（Ravitej Uppu）指出，通过控制激光照射原子的入射角度、光束形状等参数，可以在理论上实现对多余光子的精确抵消，使剩余光子流“非常纯净”。 研究从理论上同时攻克了激光散射和多光子发射这两大障碍，被视为加速光子量子线路、推动新一代量子计算机和安全通信网络的重要一步。 下一阶段，团队计划在实验室中验证这一理论，为未来的光子量子器件提供可行的工程实现路径。

据介绍，该研究题为《噪声辅助的单光子源净化》，发表在期刊 Optica Quantum 上，并得到美国国防部研究与工程副部长办公室以及爱荷华大学科研副校长办公室种子基金项目的资助。 研究人员表示，如果实验验证顺利，这一思路有望被应用于多种光子量子平台之中，为构建高保真度的量子网络提供新的技术工具。

编译自/ScitechDaily