新系統使用量子物理原理探測微弱的通信信號

2021-01-15 中國數字科技館

從左下方進入的紅色信號通過分束器進入光子檢測器，如圖右上方所示，檢測器帶有一個附加的時間寄存器。接收器將參考光束髮送到分束器以消除傳入的脈衝，這樣就不會檢測到光。即使只有一個光子被探測到，也意味著接收器使用了錯誤的參考光束，需要對此進行調整。接收器利用光子探測的精確時間，以較少的猜想得到正確的調整。結合記錄的檢測時間和參考波束頻率的歷史，尋找傳入信號的頻率。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員設計並演示了一種系統，該系統可以大幅提高通信網絡的性能，同時在檢測哪怕是最微弱的信號時也能實現創紀錄的低錯誤率，有可能將最先進的網絡所需的總能量減少10到100倍。

這個原理驗證系統由一個新型的接收機和相應的信號處理技術組成，與當今網絡中使用方法不同的是，它完全基於量子物理的特性，從而能夠處理攜帶大量數據的極其微弱的脈衝信號。

圖片來源：Pixabay

NIST和馬裡蘭大學之間的合作研究機構--聯合量子研究所（Joint Quantum Institute）的物理學家Ivan Burenkov說：「我們使用現成的組件構建了通信測試平臺，以證明基於量子測量的通信有可能擴大規模並廣泛用於商業用途。」 Burenkov和他的同事在Physical Review X Quantum上報告了結果。「我們的努力表明，量子測量還有一些其他有價值的、迄今無法預見的優勢，這能為電信帶來信道帶寬和能源效率方面的革命性改進。」

現代通信系統的工作原理是將信息轉換為雷射產生的數字光脈衝流，信息在這種光脈衝流中以光波特性變化的形式進行編碼傳輸，當信息到達接收器時再進行解碼。脈衝序列在傳輸通道上傳播時變得越來越弱，而傳統的接收和解碼數據的電子技術在精確這種衰減信號中的信息方面已經達到極限。

信號脈衝可能會減少到只有幾個光子甚至平均小於一個光子的強度。在這點上，不可避免的隨機量子波動被稱為「散粒噪聲」，由於噪聲引起的不確定性佔了衰減信號的很大部分，這使得與量子相對的常規技術無法準確接收到信號。因此，現有的系統必須消耗相當大的能量以沿著傳輸線反覆放大信號，保證信號強度，使其足以得到可靠的檢測。

NIST團隊的系統不需要放大器，即使是非常微弱的脈衝信號它也能可靠地處理。 「傳輸一個比特所需的總能量成為阻礙網絡發展的一個基本因素，」NIST團隊的資深科學家Sergey Polyakov說，「我們的目標是減少雷射器、放大器、探測器和支持設備所需能量的總和，以實現長距離可靠的信息傳輸。在工作中，我們證明了在量子測量的幫助下，即使是微弱的雷射脈衝也可以用來傳遞多比特的信息，這是邁向目標的必由之路。」

為提高信息傳輸的速度，網絡研究人員正在尋找利用光波的附加特性、為每個脈衝編碼更多的信息的方法。因此，一個雷射脈衝根據它的傳輸準備方式，可以攜帶多個比特的數據。為提高探測精度，可以在經典網絡系統上安裝量子增強接收機。到目前為止，這些混合組合每脈衝能最多處理2位的數據。NIST量子系統最多能使用16種不同的雷射脈衝去編碼多達4位的數據。

為了證明這一性能，NIST的研究人員製造了一個低輸入的微弱雷射脈衝，其強度與大幅衰減的傳統網絡信號相當，每個脈衝的平均光子數從0.5到20不等（雖然光子是完整的粒子，但小於1的數字意味著有些脈衝不包含光子）。

圖片來源：Pixabay

在準備好輸入信號後，NIST的研究人員利用它的幹涉等類波特性，直到它最終以光子（粒子）的形式到達探測器。在量子物理學領域，光既可以作為粒子（光子），也可以作為波，具有諸如頻率和相位（波峰的相對位置）等屬性。

在接收器內部，輸入信號的脈衝序列與一個單獨可調的參考雷射束結合（幹涉），該參考雷射束控制結合光流的頻率和相位。在如此微弱的的信號中要讀出不同的編碼狀態是極其困難的。因此，NIST系統的目的是通過精確匹配參考雷射的特性來測量整個信號脈衝的特性。研究人員通過對信號的一系列連續測量來實現這一點，每一次測量都增加了精確匹配的概率。

這是通過調整參考脈衝的頻率和相位來實現的，這樣當它們在分束器結合時就會對信號產生破壞性的幹擾，完全抵消信號，從而檢測不到光子。在該方案中，散粒噪聲不是一個因素：完全抵消沒有不確定性。

因此，與直覺相反，一個完美準確的測量結果是沒有光子到達探測器。如果參考脈衝的頻率錯誤，光子就能到達探測器。接收器利用光子探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。若該預測仍然不正確，下一個光子的探測時間會基於這兩個光子的探測時間得出一個更準確的預測，以此類推。

「一旦信號與參考光束相互作用，探測光子的概率將隨時間而變化，」 Burenkov說，「因此，光子的探測時間包含了有關輸入狀態的信息。在第一次光子探測之後，我們會利用這些信息來最大限度地提高正確猜測的機會。」

「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態圖，然後有一定把握地利用檢測時間來區分輸入狀態。起初的把握可能會相當低，但在整個測量過程中會得到提高。我們想要在第一次光子探測後就將參考脈衝切換到正確的狀態。由於信號只包含幾個光子，用正確的參考測量信號的時間越長，我們對結果的信心就越強。」

Polyakov討論了可能的應用。 「未來網際網路的指數級增長需要通信技術的模式轉變，」 他說，「量子測量可能成為這種新技術。我們證明了與最佳編碼協議配對的新量子接收機具有創紀錄的低誤碼率。我們的方法可以顯著降低電信行業的能源消耗。」

翻譯：顧瑀鳴

審校：黃薇

引進來源：美國國家標準和技術研究所

引進連結：https://phys.org/news/2020-09-faint-principles-quantum-physics.html

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