進入的信號(紅色,左下)通過分束器到達光子檢測器,該檢測器具有一個附加的時間寄存器(右上)。接收器將參考光束髮送到分束器以消除入射脈衝,從而不會檢測到光。如果甚至檢測到一個光子,則意味著接收器使用了不正確的參考光束,需要對其進行調整。接收器使用光子檢測的準確時間以較少的猜測來進行正確的調整。記錄的檢測時間和參考光束頻率的歷史記錄的組合用於查找輸入信號的頻率。來源:NIST
美國國家標準技術研究院(NIST)的研究人員已經設計並演示了一種系統,該系統可以顯著提高通信網絡的性能,同時在檢測最微弱的信號時實現創紀錄的低錯誤率,從而有可能減少所需的能源總量對於最先進的網絡,其係數是10到100。
原理證明系統由新穎的接收器和相應的信號處理技術組成,與當今網絡中使用的方法不同,該技術完全基於量子物理學的特性,因此甚至能夠處理帶有脈衝的極弱信號許多數據。
聯合量子研究所的物理學家伊萬·布倫科夫說:「我們使用現成的組件構建了通信測試臺,以證明可以進行量子測量的通信有可能擴大到廣泛的商業用途。」 NIST和馬裡蘭大學。Burenkov和他的同事在Physical Review X Quantum中報告了結果。「我們的努力表明,量子測量對電信而言還有其他寶貴的,前所未有的優勢,從而帶來了信道帶寬和能效方面的革命性改進。」
現代通信系統通過將信息轉換成雷射產生的數字光脈衝流來工作,在該數字光脈衝流中,信息以光波屬性的變化形式進行編碼,以進行傳輸,然後在到達接收器時進行解碼。脈衝序列隨著其沿著傳輸信道傳播而變得越來越微弱,並且用於接收和解碼數據的常規電子技術已經達到了其精確檢測這種衰減信號中的信息的能力極限。
信號脈衝會逐漸減弱,直到它變得弱到只有幾個光子,甚至平均少於一個。那時,不可避免的隨機量子波動(稱為「散粒噪聲」)使正常(相對於量子而言,「經典」)技術無法準確接收信號,因為由噪聲引起的不確定性構成了衰減信號的很大一部分。結果,現有系統必須沿傳輸線重複放大信號,並且要付出相當大的能源成本,以使它們足夠強以可靠地進行檢測。
NIST團隊的系統可以消除對放大器的需求,因為它可以可靠地處理極其微弱的信號脈衝:「傳輸一位所需的總能量成為阻礙網絡發展的根本因素,」 NIST的高級科學家謝爾蓋·波利亞科夫(Sergey Polyakov)說球隊。「目標是減少雷射器,放大器,探測器和支持設備所需的能量總和,以可靠地在更長的距離上傳輸信息。在我們的工作中,我們證明了藉助量子測量,即使微弱的雷射脈衝也可以用於傳達多點信息,這是朝著這個目標邁出的必要一步。」
為了提高信息傳輸的速度,網絡研究人員正在尋找通過使用光波的其他屬性對每個脈衝編碼更多信息的方法。因此,單個雷射脈衝可以傳輸多位數據,具體取決於最初準備傳輸的方式。為了提高檢測精度,可以將量子增強型接收器安裝到經典網絡系統上。迄今為止,這些混合組合每個脈衝最多可以處理兩位。NIST量子系統最多使用16個不同的雷射脈衝來編碼多達4位。
為了證明這種能力,NIST研究人員創建了與弱衰減的常規網絡信號相當的微弱雷射脈衝輸入,每個脈衝的平均光子數為0.5到20(儘管光子是完整粒子,數量少於一個,簡單地表示某些脈衝不包含光子)。
在準備好此輸入信號之後,NIST研究人員便利用了其波狀特性(例如幹擾),直到它最終以光子(粒子)的形式撞擊檢測器。在量子物理學領域,光可以充當粒子(光子)或波,具有諸如頻率和相位(波峰的相對位置)之類的屬性。
在接收器內部,輸入信號的脈衝序列與單獨的可調參考雷射束結合(幹擾),該參考雷射束控制合成光流的頻率和相位。在這樣的微弱信號中,讀取不同的編碼狀態非常困難。因此,NIST系統旨在通過嘗試使參考雷射的特性與之完全匹配來測量整個信號脈衝的特性。研究人員通過一系列連續的信號測量來實現這一點,每次測量都增加了精確匹配的可能性。
這是通過調整參考脈衝的頻率和相位來完成的,以便當它們在分束器處合併時,對信號產生破壞性幹擾,從而完全消除信號,從而無法檢測到光子。在此方案中,散粒噪聲不是一個因素:完全消除沒有不確定性。
因此,與直覺相反,完美精確的測量結果不會導致光子到達檢測器。如果參考脈衝的頻率錯誤,則光子可以到達檢測器。接收器使用該光子檢測的時間來預測最可能的信號頻率,並相應地調整參考脈衝的頻率。如果該預測仍然不正確,則基於兩個光子檢測時間,下一個光子的檢測時間將導致更準確的預測,依此類推。
Burenkov說:「一旦信號與參考光束髮生相互作用,檢測到光子的概率就會隨時間變化,因此,光子檢測時間包含有關輸入狀態的信息。我們使用該信息來最大程度地提高在經過檢測後正確猜測的機會。第一個光子檢測。
「我們的通信協議旨在為信號和參考光的不同組合提供不同的時間輪廓。然後可以使用檢測時間來確定輸入狀態之間的區別。確定性在開始時可能很低,但是我們希望在第一次光子檢測後將參考脈衝切換到正確的狀態,因為信號僅包含幾個光子,並且我們使用正確的參考測量信號的時間越長,我們對信號的信心就越大。結果是。」
Polyakov討論了可能的應用。他說:「網際網路的未來指數級增長將要求通信背後的技術發生範式轉變。」 「量子測量可能成為這項新技術。我們證明了採用新型量子接收器和最佳編碼協議的低誤碼率。我們的方法可以顯著降低電信能耗。」