新系统可使用量子物理原理探测微弱的通信信号

　　从左下方进入的红色信号通过分束器进入光子检测器，如图右上方所示，检测器带有一个附加的时间寄存器。接收器将参考光束发送到分束器以消除传入的脉冲，这样就不会检测到光。即使只有一个光子被探测到，也意味着接收器使用了错误的参考光束，需要对此进行调整。接收器利用光子探测的精确时间，以较少的猜想得到正确的调整。结合记录的检测时间和参考波束频率的历史，寻找传入信号的频率。

　　美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员设计并演示了一种系统，该系统可以大幅提高通信网络的性能，同时在检测哪怕是最微弱的信号时也能实现创纪录的低错误率，有可能将最先进的网络所需的总能量减少10到100倍。
　　这个原理验证系统由一个新型的接收机和相应的信号处理技术组成，与当今网络中使用方法不同的是，它完全基于量子物理的特性，从而能够处理携带大量数据的极其微弱的脉冲信号。
　　NIST和马里兰大学之间的合作研究机构——联合量子研究所（Joint Quantum Institute）的物理学家Ivan Burenkov说：“我们使用现成的组件构建了通信测试平台，以证明基于量子测量的通信有可能扩大规模并广泛用于商业用途。”Burenkov和他的同事在Physical Review X Quantum上报告了结果。“我们的努力表明，量子测量还有一些其他有价值的、迄今无法预见的优势，这能为电信带来信道带宽和能源效率方面的革命性改进。”
　　现代通信系统的工作原理是将信息转换为激光产生的数字光脉冲流，信息在这种光脉冲流中以光波特性变化的形式进行编码传输，当信息到达接收器时再进行解码。脉冲序列在传输通道上传播时变得越来越弱，而传统的接收和解码数据的电子技术在精确这种衰减信号中的信息方面已经达到极限。
　　信号脉冲可能会减少到只有几个光子甚至平均小于一个光子的强度。在这点上，不可避免的随机量子波动被称为“散粒噪声”，由于噪声引起的不确定性占了衰减信号的很大部分，这使得与量子相对的常规技术无法准确接收到信号。因此，现有的系统必须消耗相当大的能量以沿着传输线反复放大信号，保证信号强度，使其足以得到可靠的检测。
　　NIST团队的系统不需要放大器，即使是非常微弱的脉冲信号它也能可靠地处理。 “传输一个比特所需的总能量成为阻碍网络发展的一个基本因素，”NIST团队的资深科学家Sergey Polyakov说，“我们的目标是减少激光器、放大器、探测器和支持设备所需能量的总和，以实现长距离可靠的信息传输。在工作中，我们证明了在量子测量的帮助下，即使是微弱的激光脉冲也可以用来传递多比特的信息，这是迈向目标的必由之路。”
　　为提高信息传输的速度，网络研究人员正在寻找利用光波的附加特性、为每个脉冲编码更多的信息的方法。因此，一个激光脉冲根据它的传输准备方式，可以携带多个比特的数据。为提高探测精度，可以在经典网络系统上安装量子增强接收机。截至目前，这些混合组合每脉冲能最多处理2位的数据。NIST量子系统最多能使用16种不同的激光脉冲去编码多达4位的数据。
　　为了证明这一性能，NIST的研究人员制造了一个低输入的微弱激光脉冲，其强度与大幅衰减的传统网络信号相当，每个脉冲的平均光子数从0.5到20不等（虽然光子是完整的粒子，但小于1的数字意
　　味着有些脉冲不包含光子）。
　　在准备好输入信号后，NIST的研究人员利用它的干涉等类波特性，直到它最终以光子（粒子）的形式到达探测器。在量子物理学领域，光既可以作为粒子（光子），也可以作为波，具有诸如频率和相位（波峰的相对位置）等属性。
　　在接收器内部，输入信号的脉冲序列与一个单独可调的参考激光束结合（干涉），该参考激光束控制结合光流的频率和相位。在如此微弱的的信号中要读出不同的编码状态是极其困难的。因此，NIST系统的目的是通过精确匹配参考激光的特性来测量整个信号脉冲的特性。研究人员通过对信号的一系列连续测量来实现这一点，每一次测量都增加了精确匹配的概率。
　　这是通过调整参考脉冲的频率和相位来实现的，这样当它们在分束器结合时就会对信号产生破坏性的干扰，完全抵消信号，从而检测不到光子。在该方案中，散粒噪声不是一个因素：完全抵消没有不确定性。
　　因此，与直觉相反，一个完美准确的测量结果是没有光子到达探测器。如果参考脉冲的频率错误，光子就能到达探测器。接收器利用光子探测的时间来预测最可能的信号频率，并相应地调整参考脉冲的频率。若该预测仍然不正确，下一个光子的探测时间会基于这两个光子的探测时间得出一个更准确的预测，以此类推。
　　“一旦信号与参考光束相互作用，探测光子的概率将随时间而变化，”Burenkov说，“因此，光子的探测时间包含了有关输入状态的信息。在第一次光子探测之后，我们会利用这些信息来最大限度地提高正确猜测的机会。”
　　“我们的通信协议旨在为信号和参考光的不同组合提供不同的时态图，然后有一定把握地利用检测时间来区分输入状态。起初的把握可能会相当低，但在整个测量过程中会得到提高。我们想要在第一次光子探测后就将参考脉冲切换到正确的状态。由于信号只包含几个光子，用正确的参考测量信号的时间越长，我们对结果的信心就越强。”
　　Polyakov讨论了可能的应用。“未来互联网的指数级增长需要通信技术的模式转变，”他说，“量子测量可能成为这种新技术。我们证明了与最佳编码协议配对的新量子接收机具有创纪录的低误码率。我们的方法可以显著降低电信行业的能源消耗。” （顾瑀鸣）