一種創(chuàng)新的理論方法能凈化光子流，提升量子計算性能與通信安全。

光或許是人們構(gòu)想中最純凈的信息載體——但在量子世界中，連光也會產(chǎn)生噪點。

愛荷華大學的研究人員稱，他們找到了"純化"光子的方法，有望消除量子計算機提速和通信網(wǎng)絡強化安全的主要障礙。

這項進展解決了光子技術(shù)中長期存在的難題：如何可靠地生成完全有序的單光子流。

單光子是光子量子系統(tǒng)的支柱。與在0和1之間切換的經(jīng)典比特不同，量子系統(tǒng)依賴量子比特（通常是單個光粒子）來處理和傳輸信息。

但事實證明，逐個生成無雜散或重復的光子極其困難。

兩大難題阻礙了進展：一是激光散射，即用于激發(fā)原子的激光意外產(chǎn)生額外光子；二是原子同時發(fā)射多個光子，破壞了量子保真度所需的精密單光子流。

愛荷華大學的研究團隊沒有試圖單獨抑制這些干擾，而是采取了一種反直覺的策略：讓噪聲相互制衡。

他們的理論研究表明，激光散射和多光子發(fā)射產(chǎn)生的不必要光子具有幾乎相同的波長和波形特征。通過精確調(diào)節(jié)激光屬性，可使兩種噪聲源相互抵消，從而獲得更純凈的光子流。

研究人員表示，這一思路有望消除光子量子硬件規(guī)?；媾R的兩大障礙，下一步計劃進行實驗驗證。

化噪聲為利器

"我們證明，通常被視為干擾的激光散射，其實可用于抵消多余的多光子發(fā)射，"物理與天文學系助理教授、論文通訊作者拉維泰·烏普表示，"這一理論突破或?qū)㈤L期難題轉(zhuǎn)化為推動量子技術(shù)發(fā)展的強大新工具。"

該發(fā)現(xiàn)的核心是研究生馬修·尼爾森的研究，他識別出雜散光子與激光本身的光譜重疊特征。這一發(fā)現(xiàn)為通過精確控制激光（如光束角度和形狀）來抑制多余光子發(fā)射打開了大門。

"如果能精確控制激光照射原子的方式——入射角度、光束形狀等——實際上可以讓激光抵消原子傾向于發(fā)射的所有多余光子，"烏普解釋道，"最終我們將獲得純度極高的光子流。"

光子純度的重要性

光子純度不僅是技術(shù)細節(jié)。在光子量子計算中，有序的單光子流更易控制、同步和擴展，同時能降低導致量子運算失誤的干擾風險。

這還關(guān)乎安全性。單光子通信通道更難被截獲或竊聽，因此對量子加密和安全數(shù)據(jù)傳輸極具吸引力。而純凈、可預測的光子源能進一步增強這些保護。

光子技術(shù)正在量子領(lǐng)域加速發(fā)展，多家初創(chuàng)企業(yè)押注基于光的系統(tǒng)將在速度和能效上超越電子系統(tǒng)。但若缺乏可靠的單光子源，這些愿景將面臨嚴峻限制。

愛荷華大學團隊的研究目前仍屬理論階段，但研究人員正籌備實驗室實驗以驗證該模型。該項目獲得了美國國防部和愛荷華大學內(nèi)部研究資金的支持。

根據(jù)發(fā)表在《Optica Quantum》期刊上的論文，若實驗驗證成功，這種方法將改變工程師對量子系統(tǒng)噪聲的認知——噪聲不再是要消除的障礙，而是可被利用的資源。

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