网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

我国成功实现393纳米至1550纳米的高效率、低噪声量子频率转换,这项技术有多厉害?未来会如何改变生活?

0
分享至



一项量子实验上新闻,很容易被浓缩成“效率刷新纪录”。这次更值得追问的是:一枚困在真空装置里的钙离子,怎样同远处另一枚离子建立可靠联系?它发出的光偏偏是393纳米的紫外光,走进普通通信光纤后很快衰减。研究人员做出的转换器,等于给这枚光子换了一张适合长途跋涉的“车票”,同时尽量保住它携带的量子信息。

这是一块量子网络接口的进步,已经在远距离纠缠实验里派上用场;它还不是一张铺好的“量子互联网”。

先把新闻里的几个数字摆正

10月13日,中国科学技术大学潘建伟、张强等人与济南量子技术研究院郑名扬等合作的成果发表于《物理评论快报》。论文报告:单级完成393纳米到1550纳米通信C波段的量子频率转换,模块外部效率达到28.8%,在实验所用滤波和探测条件下,背景噪声约为每秒35次计数。中科大通报称,与此前相近的紫外、蓝光到通信波段研究相比,效率提高约30倍,噪声降低超过两个数量级。

这几个数字需要连着看。效率高,意味着原本就稀少的单光子少损失一些;噪声低,意味着探测器听到的“响声”更可能来自真正的量子信号。只追求其中一项,意义会打折。论文还给出839%/(瓦·平方厘米)的归一化效率,它描述的是波导在单位长度和泵浦功率下的转换能力,并不是“一个光子有839%的概率转换成功”。真正可供网络工程判断的,是包含耦合、收集与滤波损耗后的28.8%。

也别把这28.8%当成整条链路的成功率。离子发光、收集光子、耦入装置、经过长光纤、最后被探测到,每一步都还会丢光子。它是转换模块的输入到输出指标,不能直接换算成“百公里传输成功率”。

“国际纪录”也有明确的比较范围。早在此前,研究人员就做过854纳米到通信波段的离子单光子转换,效率也达到百分之二十多。此次并非人类第一次把离子光子送进通信光纤,突破点是更短的393纳米紫外波段。起点越难处理,仍能同时做到较高输出和较低背景,成绩才有分量。

为什么非要给光子“换颜色”

量子网络设想中的节点可以是囚禁离子:离子留在原地,保存和处理量子态;光子负责在节点之间奔跑。钙离子有适合做存储和操控的特性,但这项实验所用的393纳米光子不适合在常规光纤里跑远路。1550纳米则是成熟光通信系统熟悉的波段,光纤对此波段的损耗较低。

普通通信遇到信号衰减,可以放大、再生。量子态不能像一段短信那样随手复制,强行测量还可能破坏原有状态。所以这里需要的不是把紫外光“变亮”,而是让单光子的频率改变,同时让它与离子之间的量子关联仍可用。转换器所做的事,类似让一封密封信换乘另一条运输线:换的是载体的波长,信里的内容必须尽量不受扰动。

具体做法是把393纳米信号光与约527纳米泵浦光送入周期极化的薄膜铌酸锂波导,借助差频过程得到1550纳米光子。这不是拿一束紫外光去照一块普通滤镜。转换要在芯片中持续积累,光波之间必须保持合适的相位关系;稍有制造缺陷,前面累积的效果就可能被后面的过程抵消。

难处藏在“又快又干净”里

研究团队把波导的极化周期做到约3.07微米,并为畴结构缺陷建立定量模型。论文给出的制造判断相当苛刻:在20毫米长的波导上,若想接近理想效率,主体区域的这类缺陷最好控制在两个以内。这解释了为什么“换颜色”听起来简单,真正做成高效率器件却很难。光学设计之外,还得把微米尺度的加工误差管住。

另一道难题是泵浦光带来的假信号。用于推动转换的强光也可能诱发自发参量下转换,凭空生出会混进目标波段的光子。研究人员发现,有用的差频过程和这类噪声对泵浦波长、温度的响应方向不同,于是微调工作点,把有效转换保留下来,让噪声峰错开;论文报告这一调节可使相关噪声约降至原来的三分之一。后面的窄带滤波再清掉一部分杂光。

“每秒35次”不是完全没有噪声,也不是通信误码率。它是在论文给定装置条件下测到的背景计数。换一套滤波器、探测器或时间窗口,数字不能原样照搬。论文之所以让同行重视,是因为它把高效率和低背景放在同一个工作点,而不是牺牲一边换另一边。

它已经做了什么,而不是将来想做什么

这块器件并非只在单独的台架上刷分。团队今年早些时候发表于《自然》的另一项实验,把同类转换模块接入钙离子节点:离子发出的393纳米单光子被转换为1550纳米,再经光纤送到中间站干涉,最终让两端离子建立纠缠。转换研究论文报告,在钙离子应用场景下,信噪比约为120比1。

那项《自然》实验的关键结果,是10公里卷盘光纤连接的两个离子节点:纠缠的相干寿命约550毫秒,平均建立时间约450毫秒。这个看似不起眼的“寿命比等待时间长”,对量子中继很重要。相邻链路可以先各自成功,再把纠缠接起来;如果先成功的那段总在下一段完成前失效,多级连接便无从谈起。

研究团队还在10公里链路上,以有限数据分析提取出1917个保密密钥比特;101公里链路得到的是渐近条件下的正密钥率。后一个结果有研究价值,却不能写成“101公里已稳定商用”。实验使用的是卷盘光纤,也不同于城市地下长期运行的复杂网络。现阶段最硬的结论,是关键器件进入了完整实验系统,并帮系统跨过一道长期卡住的门槛。

普通人的生活会怎样受影响

短期内,手机不会因为这个结果网速翻倍,家庭宽带也不会突然升级为量子宽带。量子纠缠不能用来超光速发消息;量子网络更像一层提供特殊能力的基础设施,普通视频、支付和聊天仍要靠经典网络完成。最先用到它的,很可能是对密钥安全要求很高的机构,以及需要连接远程量子设备的科研平台。

如果未来量子中继、存储和网络管理逐步成熟,银行间或重要机构之间可以建立覆盖更远距离的量子密钥分发链路;不同地点的量子处理器可以尝试共享纠缠,协同完成单机难以承担的任务。再往后,分布式精密测量或时钟比较也可能受益。对普通人来说,感受到的变化也许不是一个叫“量子”的新按钮,而是某些后台服务多了一条可信的传输或测量通道。

这些仍是条件句。尤其“量子密钥分发”只处理密钥建立环节,终端被入侵、身份验证出错、系统配置失误,量子物理不会替人兜底。分布式计算和传感也要靠不同节点、协议和应用一起成熟,无法从一枚频率转换器的指标直接推导出产品上市时间。

从实验室到铺网,还缺什么

论文里的28.8%已经很高,换个角度看,约七成输入光子仍没能从模块输出。实际实验中,离子发出的光先要被透镜收集,再耦入光纤;《自然》论文报告,进入转换模块前两个节点的单光子效率分别约为2.6%和2.8%。这些损失叠加后,网络的纠缠建立速率仍然珍贵。降低芯片传播损耗、提高收集效率,和把转换器做得更好一样重要。

此外,远距离单光子干涉要控制光路相位与时间漂移,探测往往依赖低温单光子器件。两节点成功,不等于多节点可以自动组网;量子存储、纠缠交换、误差控制、设备长期稳定运行,还要一关关过。尤其从卷盘光纤走向真实线路,环境变化和维护成本都会变成技术问题。

所以,这项研究的分量不在于替未来生活画了一张现成蓝图,而在于补上了一个此前很薄弱的接口:让擅长存储和计算的紫外波段离子节点,能够用通信波段光子去连接远方。它离大众日用仍远,但离一条真正能工作的量子链路,已经比单看“实验室纪录”更近一步。

声明:个人原创,仅供参考

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
汪小菲聚餐身旁美女神似大S,贴心夹菜引热议,马筱梅在家直播

汪小菲聚餐身旁美女神似大S,贴心夹菜引热议,马筱梅在家直播

韩小娱
2026-10-17 09:20:22
记者:穆帅考虑征召米利唐,球员有望时隔181天重返大名单

记者:穆帅考虑征召米利唐,球员有望时隔181天重返大名单

懂球帝
2026-10-16 23:12:10
CBA揭幕战让人意外,深圳男篮为何惨败,杜锋点名这2人是关键

CBA揭幕战让人意外,深圳男篮为何惨败,杜锋点名这2人是关键

南海浪花
2026-10-16 21:18:59
刚升美国终身教授,吴军携全家回国,放话:再多的钱也留不住我

刚升美国终身教授,吴军携全家回国,放话:再多的钱也留不住我

观锐器
2026-10-16 21:00:12
11月1日起社保缴费有新变化,网友:一年换一次劳务派遣公司,啥都不给交

11月1日起社保缴费有新变化,网友:一年换一次劳务派遣公司,啥都不给交

东方豪侠
2026-10-16 08:21:20
亨通光电业绩爆了!利好是机会还是陷阱?

亨通光电业绩爆了!利好是机会还是陷阱?

孤烟财经
2026-10-17 11:55:21
中国为什么有外汇管制,大部分国家为什么不管制?

中国为什么有外汇管制,大部分国家为什么不管制?

经济学教授V
2026-10-14 19:22:37
科学真相终于揭开:为什么肢体接触后,男人最容易动真心

科学真相终于揭开:为什么肢体接触后,男人最容易动真心

游戏收藏指南
2026-10-12 18:17:51
你的车子是不是一辆好车,跑一趟高速,看这个指标就行了

你的车子是不是一辆好车,跑一趟高速,看这个指标就行了

娱乐圈的笔娱君
2026-10-16 04:20:48
意大利媒体盛赞中国男排2米10巨人!扣高3米60 意超首秀时间确定

意大利媒体盛赞中国男排2米10巨人!扣高3米60 意超首秀时间确定

林子说事
2026-10-17 06:00:37
原来他俩已离婚,但没离家仍一起住豪宅开豪车,儿女双全共同抚养

原来他俩已离婚,但没离家仍一起住豪宅开豪车,儿女双全共同抚养

娱妮啵啵啊
2026-10-13 16:21:36
胸肌撕裂+直接裁掉,29岁老将,生涯难了!

胸肌撕裂+直接裁掉,29岁老将,生涯难了!

篮球实录
2026-10-17 00:35:59
懂车帝没有测试资格吗?

懂车帝没有测试资格吗?

问道求真
2026-10-17 07:10:44
广西老牌中学要花129万新建校园大门,中标公司公布

广西老牌中学要花129万新建校园大门,中标公司公布

柳州楼市观察
2026-10-17 14:19:42
连看四集《嫁金钗》,我想说:古装剧的大门要被田曦薇给踹烂了

连看四集《嫁金钗》,我想说:古装剧的大门要被田曦薇给踹烂了

娱圈办事处
2026-10-16 20:57:32
懂车帝被曝营收百亿,震惊全网!

懂车帝被曝营收百亿,震惊全网!

互联网品牌官
2026-10-14 14:54:20
洞房夜新娘说上联“两座高山守玉门”,新郎对下联后,她:没羞没臊

洞房夜新娘说上联“两座高山守玉门”,新郎对下联后,她:没羞没臊

萧竹轻语
2025-06-20 17:21:16
野外惊现无名女尸,体内检出儿子精斑,母子孽缘不伦关系长达26年

野外惊现无名女尸,体内检出儿子精斑,母子孽缘不伦关系长达26年

易玄
2026-10-08 18:34:19
徐艺洋直播透露:儿子两岁多,身高比同龄孩子高一点壮一点,常被误认为三四岁

徐艺洋直播透露:儿子两岁多,身高比同龄孩子高一点壮一点,常被误认为三四岁

韩小娱
2026-10-17 11:55:35
法国总统候选人:法方已无力资助乌克兰

法国总统候选人:法方已无力资助乌克兰

每日经济新闻
2026-10-17 09:32:40
2026-10-17 15:40:49
江神 incentive-icons
江神
金融爱好者,解读经济热点
95文章数 1关注度
往期回顾 全部

科技要闻

刘煜辉:99%的黄金分析师报告一钱不值

头条要闻

魏德尔:德国不应该再援助"输家"乌克兰

头条要闻

魏德尔:德国不应该再援助"输家"乌克兰

体育要闻

从CBA揭幕战开始 郭士强又该忙碌起来了

娱乐要闻

黄子韬儿子国籍争议,遭知名演员点名

财经要闻

新一轮大跌源头,找到了!

汽车要闻

特斯拉会飞?全新Roadster亮相

态度原创

本地
亲子
艺术
手机
公开课

本地新闻

因新荣记出圈,这座浙东小城才是吃货天堂

亲子要闻

徐艺洋直播透露:儿子两岁多,身高比同龄孩子高一点壮一点,常被误认为三四岁

艺术要闻

吴冠中这幅苏州园林,952.5万港元!

手机要闻

三星Galaxy S27+手机认证未标注支持UWB,恐影响精准防丢等体验

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版