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首款高精度量子糾纏光學濾波器問世:量子技術邁向實用化的關鍵一步
2025年04月22日 15:00:10 來源:化工儀器網 點擊量:4938

近日,美國南加州大學研究團隊在《科學》雜志上發表了一項突破性成果——全球首款高精度量子糾纏光學濾波器問世。

  量子糾纏,屬于量子力學中最神秘的現象之一,正在悄然改變人類科技。當兩個粒子發生糾纏時,無論相隔多遠,改變一個粒子的狀態會瞬間影響另一個——這種“幽靈般的超距作用”讓科學家看到了實現超高速計算、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:環境中的微小噪聲就能輕易破壞其精密關聯,嚴重制約量子技術的實際應用。
 
  近日,美國南加州大學研究團隊在《科學》雜志上發表了一項突破性成果——全球首款高精度量子糾纏光學濾波器問世。這款基于反奇偶校驗時間(APT)對稱理論的設備,能夠像“量子雕塑家”一般精準剔除噪聲干擾,保留純凈的糾纏態,其保真度突破99%,為量子技術的實用化進程按下加速鍵。
 
  傳統光學濾波器通過避免光損耗來維持信號完整性,但南加州大學團隊另辟蹊徑。他們利用APT對稱性理論,構建了一種“主動接納可控損耗”的全新光操控體系。在專門設計的激光寫入玻璃光波導網絡中,APT對稱性通過精確調節光的耗散與干涉效應,形成類似“量子篩”的結構:噪聲被定向引導至耗散通道,而糾纏光子對則被“保護”在穩定的干涉路徑中。
 
  “這相當于在光路中設置了‘單行線’和‘隔離帶’。團隊負責人阿米爾·薩法維-納伊尼教授比喻道,“即使入射光被嚴重污染,濾波器也能像智能導航一樣,將關鍵糾纏光子引導至‘安全通道’。”實驗表明,該設備在處理經過噪聲混合的糾纏光子對時,仍能恢復出接近理論極限的純凈糾纏態。
 
  實驗驗證:99%保真度刷新世界紀錄
 
  研究團隊通過量子層析成像技術,對濾波器的性能進行了嚴苛驗證。在實驗中,他們利用實驗室生成的單光子與糾纏光子對作為“測試樣本”,模擬真實環境中的噪聲干擾。結果顯示,經過APT對稱濾波器處理的光子對,其糾纏態的重建保真度達到99.2%,遠超此前同類設備的最佳水平(約95%)。
 
  “這一指標意味著,我們可以在復雜的光學環境中,幾乎無損地傳輸量子信息。”論文第一作者李明博士指出,“這為構建大規模量子網絡奠定了基礎——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,直接推動了量子通信與計算領域的三大核心場景升級:量子密鑰分發:基于糾纏光子對的密鑰分發協議(如E91協議),其安全性依賴于糾纏態的純凈度。新濾波器可顯著提升密鑰生成速率,同時降低被竊聽風險。量子隱形傳態:在傳輸未知量子態時,濾波器能過濾掉信道中的噪聲光子,提高傳輸保真度,使“瞬間轉移”量子信息成為可能。量子計算架構:集成于量子光子電路中的濾波器,可為超導量子比特或離子阱系統提供“噪聲屏障”,提升量子邏輯門的操作精度。
 
  南加州大學團隊采用激光直寫技術制造的玻璃光波導,不僅具備低損耗特性,還能通過微納加工實現高度集成化設計。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”,推動量子技術從實驗室走向實際應用場景。
 
  “我們已經在探索將該濾波器與量子中繼器結合,構建跨城域的量子網絡。”薩法維-納伊尼教授透露,“理論上,這種集成系統可將量子信號傳輸距離延長至數千公里,同時保持糾纏態的高保真度。”APT對稱性概念的引入,顛覆了傳統光學設計中對“無損傳輸”的執念。研究團隊證明,通過巧妙利用可控損耗,反而能實現更高效的光操控。這一理論突破不僅限于量子領域,還可能催生新型光子器件,
 
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