單個(gè)光子攜帶信息量紀(jì)錄被打破
訊石光通訊網(wǎng)
2008/3/27 9:19:39
美國(guó)物理學(xué)家最近成功地讓單個(gè)光子攜帶的信息量達(dá)到1.63比特，這一數(shù)字打破了此前單個(gè)光子最多攜帶1.585比特信息的紀(jì)錄。該研究成果有助于衛(wèi)星通信的效率的最大化。相關(guān)論文3月23日在線(xiàn)發(fā)表于《自然—物理學(xué)》（Nature Physics）上。
從理論上而言，如果發(fā)射器能夠調(diào)整單個(gè)光子的波長(zhǎng)，而接收器能夠高精度地測(cè)量和分辨該波長(zhǎng)，那么一個(gè)光子能夠攜帶的信息量可以輕松達(dá)到幾個(gè)比特。不過(guò)，現(xiàn)行的技術(shù)還無(wú)法對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行上述處理。
實(shí)際中的單光子通信（single-photon communication）利用了光的另一特性——偏振（對(duì)光子而言就是極化作用）。即隨著其電場(chǎng)的空間變化，單個(gè)光子在某一時(shí)刻必然具有兩種極化狀態(tài)之一（0或1）。簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)備就能“讀出”單個(gè)光子的這種極化屬性，因此，在最通常的情況下，一個(gè)光子可以編碼入1比特信息。
不過(guò)，科學(xué)家已經(jīng)可以利用非線(xiàn)性的量子糾纏態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)所謂的量子密集編碼（quantum dense coding），從而增加單個(gè)光子攜帶的內(nèi)容。其思路就是在光子的終極接收器A上都預(yù)備一對(duì)處于糾纏態(tài)的光子，并向發(fā)射器B傳送其中之一。當(dāng)B向A發(fā)回其信息光子時(shí)，通過(guò)測(cè)量該光子對(duì)的狀態(tài)，就能得到四種可能性，這實(shí)際上就是2個(gè)比特的信息量。然而，由于普通的光學(xué)設(shè)備無(wú)法完全區(qū)分4種糾纏狀態(tài)，最優(yōu)也只能區(qū)分3種情況，這相當(dāng)于單個(gè)光子攜帶了1.585比特信息。
在最新的研究中，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Julio Barreiro（第一作者）和同事為光子對(duì)的糾纏添加了一個(gè)新的自由度，即超糾纏（hyper-entangled）。兩個(gè)光子不僅擁有自旋糾纏，而且被賦予了軌道角動(dòng)量，這讓它以螺旋狀軌跡運(yùn)動(dòng)。雖然該過(guò)程并沒(méi)有額外編碼什么信息（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(tài)。因此Barreiro說(shuō)，“原則上我們現(xiàn)在可以令每個(gè)光子攜帶2比特信息了。”
由于目前的偏振分光器（polarising beam-splitters）等光學(xué)設(shè)備尚存缺憾，研究人員在實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完美的2比特，只達(dá)到1.63，但這一數(shù)字也仍然打破了此前的紀(jì)錄。研究人員現(xiàn)在正在試圖進(jìn)行補(bǔ)償，并嘗試“擠入”更多的信息。
Barreiro表示，新的研究成果有助于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信效率的最大化。3月初，奧地利和意大利科學(xué)家首次證實(shí)了從地面向衛(wèi)星進(jìn)行單光子通信的可行性（點(diǎn)擊查看論文）。不過(guò)，Barreiro認(rèn)為，由于各種大氣干擾因素（騷動(dòng)、灰塵和水蒸氣等）會(huì)破壞光子對(duì)的相干性，新的扭曲光技術(shù)可能在衛(wèi)星間通信中更有潛力。
論文高級(jí)作者、利諾伊大學(xué)香檳分校的約翰•巴丁教授Paul Kwiat表示，“現(xiàn)在距最初實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子通信已有10多年，但信道容量（channel capacity）仍是一個(gè)根本性的限制。”當(dāng)然，光子通信的未來(lái)還有很大空間。如果能夠?qū)⑦@種扭曲應(yīng)用于編碼信息，可能每個(gè)光子所能攜帶的信息還會(huì)超過(guò)2比特。
從理論上而言，如果發(fā)射器能夠調(diào)整單個(gè)光子的波長(zhǎng)，而接收器能夠高精度地測(cè)量和分辨該波長(zhǎng)，那么一個(gè)光子能夠攜帶的信息量可以輕松達(dá)到幾個(gè)比特。不過(guò)，現(xiàn)行的技術(shù)還無(wú)法對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行上述處理。
實(shí)際中的單光子通信（single-photon communication）利用了光的另一特性——偏振（對(duì)光子而言就是極化作用）。即隨著其電場(chǎng)的空間變化，單個(gè)光子在某一時(shí)刻必然具有兩種極化狀態(tài)之一（0或1）。簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)備就能“讀出”單個(gè)光子的這種極化屬性，因此，在最通常的情況下，一個(gè)光子可以編碼入1比特信息。
不過(guò)，科學(xué)家已經(jīng)可以利用非線(xiàn)性的量子糾纏態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)所謂的量子密集編碼（quantum dense coding），從而增加單個(gè)光子攜帶的內(nèi)容。其思路就是在光子的終極接收器A上都預(yù)備一對(duì)處于糾纏態(tài)的光子，并向發(fā)射器B傳送其中之一。當(dāng)B向A發(fā)回其信息光子時(shí)，通過(guò)測(cè)量該光子對(duì)的狀態(tài)，就能得到四種可能性，這實(shí)際上就是2個(gè)比特的信息量。然而，由于普通的光學(xué)設(shè)備無(wú)法完全區(qū)分4種糾纏狀態(tài)，最優(yōu)也只能區(qū)分3種情況，這相當(dāng)于單個(gè)光子攜帶了1.585比特信息。
在最新的研究中，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Julio Barreiro（第一作者）和同事為光子對(duì)的糾纏添加了一個(gè)新的自由度，即超糾纏（hyper-entangled）。兩個(gè)光子不僅擁有自旋糾纏，而且被賦予了軌道角動(dòng)量，這讓它以螺旋狀軌跡運(yùn)動(dòng)。雖然該過(guò)程并沒(méi)有額外編碼什么信息（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(tài)。因此Barreiro說(shuō)，“原則上我們現(xiàn)在可以令每個(gè)光子攜帶2比特信息了。”
由于目前的偏振分光器（polarising beam-splitters）等光學(xué)設(shè)備尚存缺憾，研究人員在實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完美的2比特，只達(dá)到1.63，但這一數(shù)字也仍然打破了此前的紀(jì)錄。研究人員現(xiàn)在正在試圖進(jìn)行補(bǔ)償，并嘗試“擠入”更多的信息。
Barreiro表示，新的研究成果有助于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信效率的最大化。3月初，奧地利和意大利科學(xué)家首次證實(shí)了從地面向衛(wèi)星進(jìn)行單光子通信的可行性（點(diǎn)擊查看論文）。不過(guò)，Barreiro認(rèn)為，由于各種大氣干擾因素（騷動(dòng)、灰塵和水蒸氣等）會(huì)破壞光子對(duì)的相干性，新的扭曲光技術(shù)可能在衛(wèi)星間通信中更有潛力。
論文高級(jí)作者、利諾伊大學(xué)香檳分校的約翰•巴丁教授Paul Kwiat表示，“現(xiàn)在距最初實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)量子通信已有10多年，但信道容量（channel capacity）仍是一個(gè)根本性的限制。”當(dāng)然，光子通信的未來(lái)還有很大空間。如果能夠?qū)⑦@種扭曲應(yīng)用于編碼信息，可能每個(gè)光子所能攜帶的信息還會(huì)超過(guò)2比特。
新聞來(lái)源：光電新聞網(wǎng)