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首款高精度量子糾纏光學(xué)濾波器問(wèn)世:量子技術(shù)邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步
2025年04月22日 15:00:10 來(lái)源:化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量:4974

近日,美國(guó)南加州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果——全球首款高精度量子糾纏光學(xué)濾波器問(wèn)世。

  量子糾纏,屬于量子力學(xué)中最神秘的現(xiàn)象之一,正在悄然改變?nèi)祟惪萍?。?dāng)兩個(gè)粒子發(fā)生糾纏時(shí),無(wú)論相隔多遠(yuǎn),改變一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)瞬間影響另一個(gè)——這種“幽靈般的超距作用”讓科學(xué)家看到了實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算、絕對(duì)安全通信的曙光。然而,量子糾纏的脆弱性如同阿喀琉斯之踵:環(huán)境中的微小噪聲就能輕易破壞其精密關(guān)聯(lián),嚴(yán)重制約量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
 
  近日,美國(guó)南加州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果——全球首款高精度量子糾纏光學(xué)濾波器問(wèn)世。這款基于反奇偶校驗(yàn)時(shí)間(APT)對(duì)稱理論的設(shè)備,能夠像“量子雕塑家”一般精準(zhǔn)剔除噪聲干擾,保留純凈的糾纏態(tài),其保真度突破99%,為量子技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程按下加速鍵。
 
  傳統(tǒng)光學(xué)濾波器通過(guò)避免光損耗來(lái)維持信號(hào)完整性,但南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑。他們利用APT對(duì)稱性理論,構(gòu)建了一種“主動(dòng)接納可控?fù)p耗”的全新光操控體系。在專門(mén)設(shè)計(jì)的激光寫(xiě)入玻璃光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中,APT對(duì)稱性通過(guò)精確調(diào)節(jié)光的耗散與干涉效應(yīng),形成類似“量子篩”的結(jié)構(gòu):噪聲被定向引導(dǎo)至耗散通道,而糾纏光子對(duì)則被“保護(hù)”在穩(wěn)定的干涉路徑中。
 
  “這相當(dāng)于在光路中設(shè)置了‘單行線’和‘隔離帶’。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人阿米爾·薩法維-納伊尼教授比喻道,“即使入射光被嚴(yán)重污染,濾波器也能像智能導(dǎo)航一樣,將關(guān)鍵糾纏光子引導(dǎo)至‘安全通道’。”實(shí)驗(yàn)表明,該設(shè)備在處理經(jīng)過(guò)噪聲混合的糾纏光子對(duì)時(shí),仍能恢復(fù)出接近理論極限的純凈糾纏態(tài)。
 
  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:99%保真度刷新世界紀(jì)錄
 
  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)量子層析成像技術(shù),對(duì)濾波器的性能進(jìn)行了嚴(yán)苛驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中,他們利用實(shí)驗(yàn)室生成的單光子與糾纏光子對(duì)作為“測(cè)試樣本”,模擬真實(shí)環(huán)境中的噪聲干擾。結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)APT對(duì)稱濾波器處理的光子對(duì),其糾纏態(tài)的重建保真度達(dá)到99.2%,遠(yuǎn)超此前同類設(shè)備的最佳水平(約95%)。
 
  “這一指標(biāo)意味著,我們可以在復(fù)雜的光學(xué)環(huán)境中,幾乎無(wú)損地傳輸量子信息。”論文第一作者李明博士指出,“這為構(gòu)建大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)——就像在暴雨中仍能清晰通話的‘量子通信專線’。”
 
  該濾波器的問(wèn)世,直接推動(dòng)了量子通信與計(jì)算領(lǐng)域的三大核心場(chǎng)景升級(jí):量子密鑰分發(fā):基于糾纏光子對(duì)的密鑰分發(fā)協(xié)議(如E91協(xié)議),其安全性依賴于糾纏態(tài)的純凈度。新濾波器可顯著提升密鑰生成速率,同時(shí)降低被竊聽(tīng)風(fēng)險(xiǎn)。量子隱形傳態(tài):在傳輸未知量子態(tài)時(shí),濾波器能過(guò)濾掉信道中的噪聲光子,提高傳輸保真度,使“瞬間轉(zhuǎn)移”量子信息成為可能。量子計(jì)算架構(gòu):集成于量子光子電路中的濾波器,可為超導(dǎo)量子比特或離子阱系統(tǒng)提供“噪聲屏障”,提升量子邏輯門(mén)的操作精度。
 
  南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用激光直寫(xiě)技術(shù)制造的玻璃光波導(dǎo),不僅具備低損耗特性,還能通過(guò)微納加工實(shí)現(xiàn)高度集成化設(shè)計(jì)。這意味著未來(lái)可將濾波器與量子芯片、光子傳感器等器件封裝為“量子功能模組”,推動(dòng)量子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景。
 
  “我們已經(jīng)在探索將該濾波器與量子中繼器結(jié)合,構(gòu)建跨城域的量子網(wǎng)絡(luò)。”薩法維-納伊尼教授透露,“理論上,這種集成系統(tǒng)可將量子信號(hào)傳輸距離延長(zhǎng)至數(shù)千公里,同時(shí)保持糾纏態(tài)的高保真度。”APT對(duì)稱性概念的引入,顛覆了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中對(duì)“無(wú)損傳輸”的執(zhí)念。研究團(tuán)隊(duì)證明,通過(guò)巧妙利用可控?fù)p耗,反而能實(shí)現(xiàn)更高效的光操控。這一理論突破不僅限于量子領(lǐng)域,還可能催生新型光子器件,
 
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