非线性光学技术让信息传输更靠谱

量子通信被认为是未来信息安全的终极解决方案，但科学家们一直面临一个难题：如何让脆弱的量子信号在传输中保持稳定？

最近，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Kejie Fang团队在《物理评论快报》发表论文，利用一种铟镓磷纳米光子平台，将非线性光学技术效率提升了一万倍，让量子通信向实用化阶段更进一步。

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利用非线性和频产生（SFG）实现量子隐形传态。非线性纳米光子平台极大地减轻了多光子噪声，并实现了较高的隐形传态保真度。

传统量子通信依赖线性光学元件，这类设备虽然稳定，但存在先天缺陷——保真度最高只能达到33%。这意味着超过三分之二的信息可能在传输中丢失或被干扰。而非线性光学技术理论上能突破这个天花板，因为它能让不同频率的光子发生交互，生成全新光子，从而过滤掉噪声信号。

不过，过去几十年间，非线性光学系统需要高强度的光源才能工作，而量子通信恰恰依赖单光子级别的微弱信号。这个矛盾导致相关研究长期停滞，直到纳米光子学的发展带来转机。

量子通信的核心技术之一是量子隐形传态。通过量子纠缠现象（两个光子即使相隔万里也能实时关联），信息可以不经过物理信道直接传递。听起来很科幻，但现实中最大的干扰源是多光子噪声——大多数纠缠光源在产生光子对时，总会不受控地发射额外光子。

伊利诺伊大学物理系教授Elizabeth Goldschmidt解释，这种噪声会让系统误判哪些光子是真正纠缠的。就像在一场嘈杂的派对上，你很难听清特定对话一样，传统线性光学设备无法有效过滤这些干扰。

Kejie Fang团队选择的突破口是和频生成（SFG）技术。这种非线性过程能让两个特定频率的光子合并，生成一个频率相加的新光子。关键在于，当系统检测到两个同频光子时（通常是噪声信号），SFG过程会自动终止，从而排除干扰。

但过去的SFG效率低到令人绝望——平均每1亿次尝试才能成功一次。研究团队通过纳米光子平台，将铟镓磷材料的非线性效应集中到微米级波导中，使光场强度提升了千倍。最终，SFG效率飙升至每1万次尝试成功一次，保真度达到惊人的94%。

这项突破不仅解决了效率瓶颈，还带来了意外收获：由于非线性过程本身具有噪声过滤特性，系统对纠缠光源的容错率大幅提高。这意味着未来量子网络可以降低对硬件精度的要求，用更经济的设备实现可靠通信。

研究团队目前正致力于将效率再提升100倍，目标是让每个光子都能参与有效的信息传递。Kejie Fang透露，这项技术还能拓展到量子纠缠交换等领域，为构建全球量子互联网奠定基础。

相关链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802