网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

我国成功实现393纳米至1550纳米的高效率、低噪声量子频率转换,这项技术有多厉害?未来会如何改变生活?

0
分享至



一项量子实验上新闻,很容易被浓缩成“效率刷新纪录”。这次更值得追问的是:一枚困在真空装置里的钙离子,怎样同远处另一枚离子建立可靠联系?它发出的光偏偏是393纳米的紫外光,走进普通通信光纤后很快衰减。研究人员做出的转换器,等于给这枚光子换了一张适合长途跋涉的“车票”,同时尽量保住它携带的量子信息。

这是一块量子网络接口的进步,已经在远距离纠缠实验里派上用场;它还不是一张铺好的“量子互联网”。

先把新闻里的几个数字摆正

10月13日,中国科学技术大学潘建伟、张强等人与济南量子技术研究院郑名扬等合作的成果发表于《物理评论快报》。论文报告:单级完成393纳米到1550纳米通信C波段的量子频率转换,模块外部效率达到28.8%,在实验所用滤波和探测条件下,背景噪声约为每秒35次计数。中科大通报称,与此前相近的紫外、蓝光到通信波段研究相比,效率提高约30倍,噪声降低超过两个数量级。

这几个数字需要连着看。效率高,意味着原本就稀少的单光子少损失一些;噪声低,意味着探测器听到的“响声”更可能来自真正的量子信号。只追求其中一项,意义会打折。论文还给出839%/(瓦·平方厘米)的归一化效率,它描述的是波导在单位长度和泵浦功率下的转换能力,并不是“一个光子有839%的概率转换成功”。真正可供网络工程判断的,是包含耦合、收集与滤波损耗后的28.8%。

也别把这28.8%当成整条链路的成功率。离子发光、收集光子、耦入装置、经过长光纤、最后被探测到,每一步都还会丢光子。它是转换模块的输入到输出指标,不能直接换算成“百公里传输成功率”。

“国际纪录”也有明确的比较范围。早在此前,研究人员就做过854纳米到通信波段的离子单光子转换,效率也达到百分之二十多。此次并非人类第一次把离子光子送进通信光纤,突破点是更短的393纳米紫外波段。起点越难处理,仍能同时做到较高输出和较低背景,成绩才有分量。

为什么非要给光子“换颜色”

量子网络设想中的节点可以是囚禁离子:离子留在原地,保存和处理量子态;光子负责在节点之间奔跑。钙离子有适合做存储和操控的特性,但这项实验所用的393纳米光子不适合在常规光纤里跑远路。1550纳米则是成熟光通信系统熟悉的波段,光纤对此波段的损耗较低。

普通通信遇到信号衰减,可以放大、再生。量子态不能像一段短信那样随手复制,强行测量还可能破坏原有状态。所以这里需要的不是把紫外光“变亮”,而是让单光子的频率改变,同时让它与离子之间的量子关联仍可用。转换器所做的事,类似让一封密封信换乘另一条运输线:换的是载体的波长,信里的内容必须尽量不受扰动。

具体做法是把393纳米信号光与约527纳米泵浦光送入周期极化的薄膜铌酸锂波导,借助差频过程得到1550纳米光子。这不是拿一束紫外光去照一块普通滤镜。转换要在芯片中持续积累,光波之间必须保持合适的相位关系;稍有制造缺陷,前面累积的效果就可能被后面的过程抵消。

难处藏在“又快又干净”里

研究团队把波导的极化周期做到约3.07微米,并为畴结构缺陷建立定量模型。论文给出的制造判断相当苛刻:在20毫米长的波导上,若想接近理想效率,主体区域的这类缺陷最好控制在两个以内。这解释了为什么“换颜色”听起来简单,真正做成高效率器件却很难。光学设计之外,还得把微米尺度的加工误差管住。

另一道难题是泵浦光带来的假信号。用于推动转换的强光也可能诱发自发参量下转换,凭空生出会混进目标波段的光子。研究人员发现,有用的差频过程和这类噪声对泵浦波长、温度的响应方向不同,于是微调工作点,把有效转换保留下来,让噪声峰错开;论文报告这一调节可使相关噪声约降至原来的三分之一。后面的窄带滤波再清掉一部分杂光。

“每秒35次”不是完全没有噪声,也不是通信误码率。它是在论文给定装置条件下测到的背景计数。换一套滤波器、探测器或时间窗口,数字不能原样照搬。论文之所以让同行重视,是因为它把高效率和低背景放在同一个工作点,而不是牺牲一边换另一边。

它已经做了什么,而不是将来想做什么

这块器件并非只在单独的台架上刷分。团队今年早些时候发表于《自然》的另一项实验,把同类转换模块接入钙离子节点:离子发出的393纳米单光子被转换为1550纳米,再经光纤送到中间站干涉,最终让两端离子建立纠缠。转换研究论文报告,在钙离子应用场景下,信噪比约为120比1。

那项《自然》实验的关键结果,是10公里卷盘光纤连接的两个离子节点:纠缠的相干寿命约550毫秒,平均建立时间约450毫秒。这个看似不起眼的“寿命比等待时间长”,对量子中继很重要。相邻链路可以先各自成功,再把纠缠接起来;如果先成功的那段总在下一段完成前失效,多级连接便无从谈起。

研究团队还在10公里链路上,以有限数据分析提取出1917个保密密钥比特;101公里链路得到的是渐近条件下的正密钥率。后一个结果有研究价值,却不能写成“101公里已稳定商用”。实验使用的是卷盘光纤,也不同于城市地下长期运行的复杂网络。现阶段最硬的结论,是关键器件进入了完整实验系统,并帮系统跨过一道长期卡住的门槛。

普通人的生活会怎样受影响

短期内,手机不会因为这个结果网速翻倍,家庭宽带也不会突然升级为量子宽带。量子纠缠不能用来超光速发消息;量子网络更像一层提供特殊能力的基础设施,普通视频、支付和聊天仍要靠经典网络完成。最先用到它的,很可能是对密钥安全要求很高的机构,以及需要连接远程量子设备的科研平台。

如果未来量子中继、存储和网络管理逐步成熟,银行间或重要机构之间可以建立覆盖更远距离的量子密钥分发链路;不同地点的量子处理器可以尝试共享纠缠,协同完成单机难以承担的任务。再往后,分布式精密测量或时钟比较也可能受益。对普通人来说,感受到的变化也许不是一个叫“量子”的新按钮,而是某些后台服务多了一条可信的传输或测量通道。

这些仍是条件句。尤其“量子密钥分发”只处理密钥建立环节,终端被入侵、身份验证出错、系统配置失误,量子物理不会替人兜底。分布式计算和传感也要靠不同节点、协议和应用一起成熟,无法从一枚频率转换器的指标直接推导出产品上市时间。

从实验室到铺网,还缺什么

论文里的28.8%已经很高,换个角度看,约七成输入光子仍没能从模块输出。实际实验中,离子发出的光先要被透镜收集,再耦入光纤;《自然》论文报告,进入转换模块前两个节点的单光子效率分别约为2.6%和2.8%。这些损失叠加后,网络的纠缠建立速率仍然珍贵。降低芯片传播损耗、提高收集效率,和把转换器做得更好一样重要。

此外,远距离单光子干涉要控制光路相位与时间漂移,探测往往依赖低温单光子器件。两节点成功,不等于多节点可以自动组网;量子存储、纠缠交换、误差控制、设备长期稳定运行,还要一关关过。尤其从卷盘光纤走向真实线路,环境变化和维护成本都会变成技术问题。

所以,这项研究的分量不在于替未来生活画了一张现成蓝图,而在于补上了一个此前很薄弱的接口:让擅长存储和计算的紫外波段离子节点,能够用通信波段光子去连接远方。它离大众日用仍远,但离一条真正能工作的量子链路,已经比单看“实验室纪录”更近一步。

声明:个人原创,仅供参考

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
尾盘“地天板” !002088直线拉升,走出6天5板

尾盘“地天板” !002088直线拉升,走出6天5板

证券时报
2026-11-06 15:25:01
特朗普是美国历史上第一位,也是到目前为止唯一一位,当选总统前既没有任何文职政府公职、也没有参军服役经历的总统

特朗普是美国历史上第一位,也是到目前为止唯一一位,当选总统前既没有任何文职政府公职、也没有参军服役经历的总统

回京历史梦
2026-10-26 10:49:29
立冬前最该吃的3种菜,比羊肉温和,比猪肉好消化,再贵也要记得吃

立冬前最该吃的3种菜,比羊肉温和,比猪肉好消化,再贵也要记得吃

江江食研社
2026-11-05 20:33:31
刘亚楼痛骂:“只会找女人,战场是草包”,让李德记仇了一辈子

刘亚楼痛骂:“只会找女人,战场是草包”,让李德记仇了一辈子

这才是战争
2026-11-06 10:26:19
3.0T!宝马新车正式亮相,真的有点帅啊

3.0T!宝马新车正式亮相,真的有点帅啊

科技堡垒
2026-11-05 08:00:30
盘前,突发!特朗普回应美股暴跌

盘前,突发!特朗普回应美股暴跌

证券时报
2026-11-06 09:32:36
大反转!确认系AI生成

大反转!确认系AI生成

黄河新闻网吕梁
2026-11-05 14:50:26
小到中雨+大到暴雪+大暴雪!雨雪马上到

小到中雨+大到暴雪+大暴雪!雨雪马上到

新浪财经
2026-11-06 14:15:38
上海一路面发生塌陷,深约3米,初判系“路面水蚀虚空”所致,未造成人员受伤和车辆受损

上海一路面发生塌陷,深约3米,初判系“路面水蚀虚空”所致,未造成人员受伤和车辆受损

都市快报橙柿互动
2026-11-06 19:55:50
早上11点,CCTV5直播!进攻第1+西部第1花落谁家?东契奇再冲高分

早上11点,CCTV5直播!进攻第1+西部第1花落谁家?东契奇再冲高分

大卫的篮球故事
2026-11-06 18:08:24
真·楚门世界!丹麦演员被骗去拍电影,拍完4个月才知真相:剧组里所有人都是演的…

真·楚门世界!丹麦演员被骗去拍电影,拍完4个月才知真相:剧组里所有人都是演的…

英国那些事儿
2026-11-05 01:58:31
山姆上架始祖鸟、加拿大鹅:同款比官方旗舰便宜上千,已有款断货

山姆上架始祖鸟、加拿大鹅:同款比官方旗舰便宜上千,已有款断货

削桐作琴
2026-11-06 16:29:05
9-6无悬念赢球!就在刚刚,斯诺克国锦赛:世界第51名终究是打不过世界第9,中国军团仅剩独苗苦撑

9-6无悬念赢球!就在刚刚,斯诺克国锦赛:世界第51名终究是打不过世界第9,中国军团仅剩独苗苦撑

篮球热嗖
2026-11-06 08:46:21
男子预判黄金能涨到2000元/克,拿出全部积蓄408万买了7斤黄金,9个月亏损114万,因着急用钱割肉离场,隔日金价大幅反弹

男子预判黄金能涨到2000元/克,拿出全部积蓄408万买了7斤黄金,9个月亏损114万,因着急用钱割肉离场,隔日金价大幅反弹

每日经济新闻
2026-11-05 19:14:52
朝鲜在急什么?金正恩突访丹东10天后,又有高官率团访华

朝鲜在急什么?金正恩突访丹东10天后,又有高官率团访华

果妈聊娱乐
2026-11-05 13:12:37
为艺术献身的巴西女星—斯蒂芬妮·法图齐,代表作《无耻之徒》

为艺术献身的巴西女星—斯蒂芬妮·法图齐,代表作《无耻之徒》

悦君兮君不知
2026-11-05 20:11:10
云南方丈释永修意外身亡,遗物有498万,女儿提出继承,寺庙拒绝

云南方丈释永修意外身亡,遗物有498万,女儿提出继承,寺庙拒绝

乐天闲聊
2026-11-05 17:07:03
女主播在缅甸视频流出:状态涣散,眼神无助,可惜了这么好的身材

女主播在缅甸视频流出:状态涣散,眼神无助,可惜了这么好的身材

皮蛋儿电影
2026-09-23 10:51:15
不打了!突发韧带撕裂!中国男篮19岁天才后卫

不打了!突发韧带撕裂!中国男篮19岁天才后卫

篮球实战宝典
2026-11-06 18:23:27
养老金调完了,机关事业单位和企业退休的人,到手到底差出多少?

养老金调完了,机关事业单位和企业退休的人,到手到底差出多少?

江启
2026-11-06 07:32:36
2026-11-06 22:12:49
江神 incentive-icons
江神
金融爱好者,解读经济热点
178文章数 3关注度
往期回顾 全部

科技要闻

一手实测|国产三大Flash模型,谁更能打?

头条要闻

丈夫凌晨4点和陌生女子通话 妻子赌气与异性开房3天

头条要闻

丈夫凌晨4点和陌生女子通话 妻子赌气与异性开房3天

体育要闻

40岁,正是绝杀的年纪!

娱乐要闻

42岁的唐嫣,又上热搜了

财经要闻

市场能接受AI繁荣退潮吗?

汽车要闻

限时置换价15.98万元起 2027款领克08 EM-P上市

态度原创

艺术
手机
游戏
教育
公开课

艺术要闻

一幅画就把光影玩明白了?威廉·施耐德这笔触,太美了!

手机要闻

OPPO Reno17系列11 月 9 日见,部分规格曝光

又是类“魂”?影之刃零的沙雕梗图,已经火遍全网了

教育要闻

72哈哈哈哈哈哈哈哈哈

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版