光也能被压缩？盘点压缩光在量子科技中的应用

光子盒研究院出品

由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队研制的“九章”和“九章二号”光量子计算原型机连续两次实现了“量子计算优越性”，其中一个关键环节就是压缩光的制备。

我们知道，光没有任何体积、质量，光难道还能压缩吗？在量子领域光的压缩态意味着什么，有什么用呢？对于这些问题，今天我们就来一探究竟。

这一切需要我们先从光本身谈起。我们平常讨论光，通常指可见光。而可见光是人受到身体所限，从电磁波谱中识别到的特定频率范围的电磁波。电磁波产生于量子领域。比如，当电子跃迁到较低原子能级时，原子就会释放出电磁波。光子是光的基本粒子，光子的运动模式遵循量子力学模型，具有波粒二象性。

图源：wiki

以上仅仅是简单说明了光是什么，我们需要进一步了解，压缩光是怎么回事？

01

压缩光的产生背景

在量子领域中，经过压缩，处于压缩态的光，就是压缩光。但是如果要进一步说明压缩光是什么，我们需要先引入一些量子力学知识。

宇宙的真空地带并不是一无所有的虚空，即便是真空也遍布了电磁波与辐射能量。真空的各量子场的各振动模式会不停振动，这种振动又称为真空零点振荡。而不同的量子场间由于存在相互作用，会不断发生各种虚粒子的产生、消失或转化，这被称作量子涨落。

如果有一束具有确定频率、确定偏振态和传播方向的单模光波，当其振动的模量与相位角均为互不对易的算符，根据不确定性关系，完全相干光条件下的量子相干态，在振幅平面上不再对应于一个点，而是一个圆斑。圆斑的大小等于电场的真空起伏涨落。

普通光波经过经典光波和这种真空涨落叠加，这种相干会形成噪音场。而科学家们研究压缩光，就是为了压缩这种真空的量子涨落对测量的影响。测量被压缩过噪音的光波时，这个精确度可能超出海森堡不确定性原理的限制。总而言之，压缩光，并不是不是为了压缩光的体积或质量，而是为了压缩噪音，压缩不确定性。

早在1981年，Carlton Caves分析了由于海森堡不确定性原理导致的测量精度极限。他提出了用压缩光来克服极限的构想，使得压缩光可以被用于提高激光干涉引力波探测的灵敏度。

02

压缩光原理

我们可以对光场采用简易的数学表述：

因为不确定性原理，在相空间的光场，正交振幅分量（）和正交位相分量（）不能同时准确测量，但是如果我们能够对某个方向的分量进行压缩就可以得到另一个方向更加准确的测量。需要说明的是，因为其并不是发生在常人理解的三维空间中，而是在数学或物理中的特殊维度。所以对于普通人理解压缩，我们只能近似地理解为对前文提到的圆斑进行拍扁压缩，从而减小不确定性。

在上图中，当φ= 0时，此时，cos0 = 1,sin0 = 1,所以=，方向分量消失，被压缩；同理，当 φ=π/2，被压缩。

有了以上基础，我们可以参考双模压缩态（EPR纠缠态），进一步加深理解。

以上是压缩光的理论原理，那在现实中如何制备呢？科学家通常会采用涉及到激光有关的装置进行处理，它们外观大致如图：

03

压缩光的应用

因为压缩光的光场是正交振幅分量与正交位相分量作为量子变量的连续变量纠缠体系，它具有确定性产生、高效率量子探测、与经典通信系统兼容性好等优势，所以被用在了这些相关量子领域中。

1）量子精密测量

从前文我们知道，压缩光最开始发明就是用来减少光学高精度测量中光子计数噪声的，所以其被广泛用精密测量。例如，激光干涉引力波探测器，可以探测由遥远黑洞、中子星等天体合并引起时空弯曲中的涟漪。2017年，美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne因为对LIGO探测器（激光干涉引力波天文台）和引力波探测的决定性贡献，获得了诺贝尔物理学奖。

自2019年4月以来，全球所有的引力波天文台都使用产生压缩光的激光器作为额外的光源。压缩光在空间上与干涉仪臂中传统的更强光束重叠，在光电二极管探测器上产生压缩光子统计，从而降低噪声。LIGO和Virgo在采集数据时平均每周记录不止一次引力波事件，量子噪声压缩提高了这些事件的信噪比。它还将LIGO双中子星并合的平均探测率提高了50%，Virgo提高了20%。压缩光带来的发现还包括黑洞合并和由黑洞和中子星组成的双星系统。

图源：wiki

另外，在生物学显微成像方面，压缩光也有着不错的应用。2021年，澳大利亚昆士兰大学W. Bowen教授课题组实验证明了利用皮秒脉冲正交振幅分量压缩态光场可以将受激拉曼散射的信噪比提高1dB，并对酵母细胞进行了量子增强的显微成像。

图源：Quantum-enhanced nonlinear microscopy by Catxere A. Casacio

2）量子通信

关于量子通信的新闻，相信大家这几年也屡见不鲜了。简单来说，可以通过光的压缩态产生EPR纠缠光，从而用于量子密钥分发、隐形传态、量子编码等领域。

图源：nature

3）量子计算

量子计算行业目前也十分火热。量子计算机由于其量子比特的特殊性，能够在一些特定数学问题上，快速解决一些经典计算机的大难题，比如大数分解、离散对数计算等。

例如，压缩态光场被应用于解决高斯玻色采样这一经典计算难题。与单光子态相比，压缩态光场的光子数分布本身的多样性进一步增强了高斯玻色采样的量子计算优势。

下图显示了“九章”量子计算原型机光路系统原理：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络；最后利用100个高效率超导纳米线单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。“九章”成功探测到了76个光子，处理高斯玻色取样的速度比当时最快的超级计算机快一百万亿倍。

2021年，团队在“九章”的基础上，进行了一系列概念和技术创新。研究人员设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。由此，“九章二号”探测到的光子数增加到了113个。进一步，通过动态调节压缩光的相位，实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。“九章二号”在高斯玻色取样问题上的处理速度比当时最快的超级计算机快亿亿亿倍。

4）光电探测

光电探测器一种能将光能转换为电信号，从而测量光束功率的的光器件。在完美的量子效率（100%）的情况下，这种探测器应该将入射光的每一个光子能量转换成一个光电子。

但传统探测器，需要知道有多少光子撞击光电探测器表面，即它们需要经过校准辐射度。压缩光利用了光的压缩态退相干敏感性，减少了探测损耗，提高了光电探测器的效率。

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：