美科學家打破單個光子攜帶信息量紀錄

    美國物理學家最近成功地讓單個光子攜帶的信息量達到1.63比特，這一數字打破了此前單個光子最多攜帶1.585比特信息的紀錄。該研究成果有助於衛星通信效率的最大化。相關論文3月23日在線發表於《自然—物理學》上。

    從理論上講，如果發射器能夠調整單個光子的波長，而接收器能夠高精度地測量和分辨該波長，那麼一個光子能夠攜帶的信息量可以輕鬆達到幾個比特。不過，現行的技術還無法對單個光子進行上述處理。

    實際中的單光子通信利用了光的另一特性——偏振(對光子而言就是極化作用)，即隨著其電場的空間變化，單個光子在某一時刻必然具有兩種極化狀態之一(0或1)。簡單的光學設備就能「讀出」單個光子的這種極化屬性，因此，在最通常的情況下，一個光子可以編碼入1比特信息。

    不過，科學家已經可以利用非線性的量子糾纏態來實現所謂的量子密集編碼，從而增加單個光子攜帶的內容。其思路就是在光子的終極接收器A上都預備一對處於糾纏態的光子，並向發射器B傳送其中之一。當B向A發回其信息光子時，通過測量該光子對的狀態，就能得到4種可能性，這實際上就是2個比特的信息量。然而，由於普通的光學設備無法完全區分4種糾纏狀態，最優也只能區分3種情況，這相當於單個光子攜帶了1.585比特信息。

    在最新的研究中，美國伊利諾伊大學香檳分校的Julio Barreiro和同事為光子對的糾纏添加了一個新的自由度，即超糾纏。兩個光子不僅擁有自旋糾纏，而且被賦予了軌道角動量，這讓它以螺旋狀軌跡運動。雖然該過程並沒有額外編碼什麼信息(攜帶信息的依然是極化方向)，但這一光子「扭曲」能夠讓接收端梳理出密集編碼方式中的4種狀態。因此Barreiro說：「原則上我們現在可以令每個光子攜帶2比特信息了。」

    由於目前的偏振分光器等光學設備尚存缺憾，研究人員在實驗中並沒有實現完美的2比特，只達到1.63比特，但這一數字依然打破了此前的紀錄。研究人員現在正試圖進行補償，並嘗試「擠入」更多的信息。

    Barreiro表示，新的研究成果有助於實現衛星通信效率的最大化。3月初，奧地利和義大利科學家首次證實了從地面向衛星進行單光子通信的可行性。不過，Barreiro認為，由於各種大氣幹擾因素(騷動、灰塵和水蒸氣等)會破壞光子對的相干性，新的扭曲光技術可能在衛星間通信中更有潛力。

    論文高級作者、伊利諾伊大學香檳分校的Paul Kwiat表示：「現在距最初實驗實現量子通信已有10多年，但信道容量仍是一個根本性的限制。」當然，光子通信的未來還有很大空間。如果能夠將這種扭曲應用於編碼信息，可能每個光子所能攜帶的信息還會超過2比特。