科学家找到“净化”光线的新方法

研究团队聚焦于生成可靠单光子流时面临的两大障碍，而单光子流对光子量子计算机和安全通信网络至关重要。

其中一个障碍是激光散射。当激光照射原子以触发光子释放时，该过程还会产生多余的、不需要的光子。这些额外粒子就像光学电路中的干扰，会降低效率，其原理类似于杂散电流干扰传统电路。

第二个问题源于原子对激光的某些响应方式。在少数情况下，原子会一次发射多个光子。此时，量子操作所需的精确顺序就会被打乱，因为多余的光子会干扰原本期望的逐个光子流。

利用激光噪声消除多余光线

在这项新研究中，物理学与天文学系研究生马修·纳尔逊（Matthew Nelson）发现了这两个问题之间的意外联系。他发现，当原子释放多个光子时，其产生的波长光谱和波形与激光本身的极为相似。

研究人员表示，这种相似性意味着可以通过精确调整使这两种信号相互抵消。实际上，通常会造成麻烦的激光散射可被用于抑制多余的光子发射。

物理学与天文学系助理教授、该研究的通讯作者拉维泰吉·乌普（Ravitej Uppu）表示：“我们已证明，通常被视为麻烦的杂散激光散射可被利用来消除多余的多光子发射。这一理论突破有望将一个长期存在的问题转变为推动量子技术发展的强大新工具。”

为何单光子对量子计算至关重要

光子计算依靠光而非电来进行运算，有望实现更快、更高效的系统。传统计算机使用比特（即代表0和1的电脉冲或光脉冲流）运行，而量子计算机则使用量子比特，通常是光子等亚原子粒子。

许多新兴科技公司认为，光子平台将在量子计算的未来发挥关键作用。而稳定、可控的单光子流是实现这一愿景的核心。

有序的光子流更易于管理和扩展，还能提升安全性。研究人员将其比作引导学生一个接一个地通过自助餐厅排队，而不是让他们拥挤移动。同样，整齐的单光子流可降低数据被拦截或窃听的风险。

精确控制以获得更纯净的光子流

乌普解释道，对激光束的精确控制是这种新方法的关键。“如果我们能精确控制激光束照射原子的方式——比如入射角度、光束形状等——就能实际抵消原子额外发射的所有光子，”他说，“这样我们就能得到非常纯净的光子流。”

这项研究从理论上表明，光子电路提速面临的两大障碍可同时得到解决。若经实验证实，该技术有望加速先进量子计算机和更安全通信系统的研发。研究人员计划在未来实验中验证这一想法。

研究详情与资金支持

这项题为《噪声辅助的单光子源净化》的研究发表在《Optica Quantum》期刊上。

该研究的资金来自美国国防部负责研究与工程的副部长办公室。爱荷华大学研究副校长办公室通过P3项目提供的种子基金为该项目的启动提供了额外支持。