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首款高精度量子糾纏光學(xué)濾波器問世：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
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：4020
近日，美國南加州大學(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)，無論相隔多遠(yuǎn)，改變一個(gè)粒子的狀態(tài)會瞬間影響另一個(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)濾波器問世。這款基于反奇偶校驗(yàn)時(shí)間(APT)對稱理論的設(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)濾波器通過避免光損耗來維持信號完整性，但南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑。他們利用APT對稱性理論，構(gòu)建了一種“主動(dòng)接納可控?fù)p耗”的全新光操控體系。在專門設(shè)計(jì)的激光寫入玻璃光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中，APT對稱性通過精確調(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)過噪聲混合的糾纏光子對時(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)通過量子層析成像技術(shù)，對濾波器的性能進(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作為“測試樣本”，模擬真實(shí)環(huán)境中的噪聲干擾。結(jié)果顯示，經(jīng)過APT對稱濾波器處理的光子對，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’。”
該濾波器的問世，直接推動(dòng)了量子通信與計(jì)算領(lǐng)域的三大核心場景升級：量子密鑰分發(fā)：基于糾纏光子對的密鑰分發(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”，提升量子邏輯門的操作精度。
南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用激光直寫技術(shù)制造的玻璃光波導(dǎo)，不僅具備低損耗特性，還能通過微納加工實(shí)現(xiàn)高度集成化設(shè)計(jì)。這意味著未來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)可將量子信號傳輸距離延長至數(shù)千公里，同時(shí)保持糾纏態(tài)的高保真度。”APT對稱性概念的引入，顛覆了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中對“無損傳輸”的執(zhí)念。研究團(tuán)隊(duì)證明，通過巧妙利用可控?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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