大學研究人員發現新技術可改善光子質量，助力量子計算與通訊安全

光可能是人類想像中最清潔的信息載體，但在量子世界中，即使是光也會變得嘈雜。來自愛荷華大學的研究人員表示，他們找到了一種「純化」光子的辦法，有望消除量子電腦和更安全通訊網絡的主要障礙。這一進展針對光子技術中的一個長期問題：如何可靠地生成完美有序的單光子流。單光子是光子量子系統的基礎。與經典位元在零和一之間切換不同，量子系統依賴於量子位元，通常是單個光子，用以處理和傳輸信息。然而，單獨生成光子，且不出現雜散或重複，已被證明極其困難。

有兩個持續的問題拖慢了進展。其一是激光散射，即用於激發原子的激光不小心產生了額外的光子。其二是當原子同時發射多於一個光子時，會干擾量子保真度所需的精緻單光子流。愛荷華大學的團隊採取了一種反直覺的方法，而不是單獨抑制這些影響：讓噪音互相抵消。他們的理論工作顯示，來自激光散射和多光子發射的多餘光子擁有幾乎相同的波長和波形特徵。通過精確調整激光的性質，這兩種噪音源可以彼此抵消，留下更純淨的光子流。

研究人員表示，這一想法可以消除擴展光子量子硬體的兩個主要障礙。接下來將進行實驗測試。愛荷華大學物理與天文學系助理教授Ravitej Uppu表示：「我們已經顯示出，通常被視為麻煩的雜散激光散射，可以被利用來抵消不必要的多光子發射。」這一理論突破可能將長期存在的問題轉變為推進量子技術的強大新工具。

發現的核心是研究生Matthew Nelson的工作，他確定了不必要光子與激光光本身之間的光譜重疊。這一見解為使用精確的激光控制（例如光束角度和形狀）以抑制多餘光子發射打開了大門。Uppu解釋道：「如果我們能夠精確控制激光光束照射在原子上的方式——光束的角度、形狀等等——就可以使其抵消原子喜歡發射的所有額外光子。」這樣，我們就可以得到一個非常純淨的光子流。

光子的純度不僅僅是技術細節。在光子量子計算中，有序的單光子流更容易控制、同步和擴展。它們還降低了錯誤和干擾的風險，這可能會干擾量子操作。此外，單光子通訊通道也更難被攔截或竊聽，這使其在量子加密和安全數據傳輸中具有吸引力。乾淨且可預測的光子源能增強這些保護措施。

在量子行業中，基於光子的技術正在獲得動力，幾家初創企業押注光基系統在速度和能效上將超越電子產品。但如果沒有可靠的單光子源，這些雄心壯志將面臨嚴峻的限制。愛荷華大學團隊的工作目前仍然是理論，但研究人員正準備實驗室實驗來驗證這一模型。該項目得到了美國國防部和愛荷華大學內部研究資金的支持。如果實驗得到確認，這種方法可能會重塑工程師對量子系統中噪音的看法——不再是需要消除的東西，而是可以利用的資源。