新型光子纯化技术或开启更快、更安全的量子网络

一种创新的理论方法能净化光子流，提升量子计算性能与通信安全。

光或许是人们构想中最纯净的信息载体——但在量子世界中，连光也会产生噪点。

爱荷华大学的研究人员称，他们找到了"纯化"光子的方法，有望消除量子计算机提速和通信网络强化安全的主要障碍。

这项进展解决了光子技术中长期存在的难题：如何可靠地生成完全有序的单光子流。

单光子是光子量子系统的支柱。与在0和1之间切换的经典比特不同，量子系统依赖量子比特（通常是单个光粒子）来处理和传输信息。

但事实证明，逐个生成无杂散或重复的光子极其困难。

两大难题阻碍了进展：一是激光散射，即用于激发原子的激光意外产生额外光子；二是原子同时发射多个光子，破坏了量子保真度所需的精密单光子流。

爱荷华大学的研究团队没有试图单独抑制这些干扰，而是采取了一种反直觉的策略：让噪声相互制衡。

他们的理论研究表明，激光散射和多光子发射产生的不必要光子具有几乎相同的波长和波形特征。通过精确调节激光属性，可使两种噪声源相互抵消，从而获得更纯净的光子流。

研究人员表示，这一思路有望消除光子量子硬件规模化面临的两大障碍，下一步计划进行实验验证。

化噪声为利器

"我们证明，通常被视为干扰的激光散射，其实可用于抵消多余的多光子发射，"物理与天文学系助理教授、论文通讯作者拉维泰·乌普表示，"这一理论突破或将长期难题转化为推动量子技术发展的强大新工具。"

该发现的核心是研究生马修·尼尔森的研究，他识别出杂散光子与激光本身的光谱重叠特征。这一发现为通过精确控制激光（如光束角度和形状）来抑制多余光子发射打开了大门。

"如果能精确控制激光照射原子的方式——入射角度、光束形状等——实际上可以让激光抵消原子倾向于发射的所有多余光子，"乌普解释道，"最终我们将获得纯度极高的光子流。"

光子纯度的重要性

光子纯度不仅是技术细节。在光子量子计算中，有序的单光子流更易控制、同步和扩展，同时能降低导致量子运算失误的干扰风险。

这还关乎安全性。单光子通信通道更难被截获或窃听，因此对量子加密和安全数据传输极具吸引力。而纯净、可预测的光子源能进一步增强这些保护。

光子技术正在量子领域加速发展，多家初创企业押注基于光的系统将在速度和能效上超越电子系统。但若缺乏可靠的单光子源，这些愿景将面临严峻限制。

爱荷华大学团队的研究目前仍属理论阶段，但研究人员正筹备实验室实验以验证该模型。该项目获得了美国国防部和爱荷华大学内部研究资金的支持。

根据发表在《Optica Quantum》期刊上的论文，若实验验证成功，这种方法将改变工程师对量子系统噪声的认知——噪声不再是要消除的障碍，而是可被利用的资源。

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