爱荷华大学科研团队发现利用激光噪声“净化”光子，推动量子技术的性能与安全性提升

在光量子技术领域，单光子（即单个光子）的可靠产生一直是亟待突破的瓶颈。爱荷华大学物理与天文学系的研究团队通过深入分析单光子产生过程中的两个主要障碍，提出了一种全新的“净化”方案，利用激光噪声来消除不需要的光子，从而显著提升光子源的纯度与可靠性。

激光散射（Laser Scatter）

当激光照射原子触发光子发射时，往往伴随产生多余的光子。这些附加光子相当于光学电路中的“杂散光”，削弱了单光子源的效率，类似于传统电路中被干扰的直流电流。

多光子发射

原子在极少数情况下会在同一次激发过程中释放多于一个光子。此时，光子按“一个一个”序列的量子操作失去了必要的顺序，导致量子计算与通信所需的精确时序被打乱。

在这项新研究中，研究生Matthew Nelson发现，当原子释放多光子时，所产生的光谱与波形与激光本身高度相似。正是这种相似性使得两者可以被精准调节以相互抵消。换言之，通常被视为干扰的激光散射，可以被用来消除多光子发射带来的噪声。

“我们已经证明，通常被认为是麻烦的激光散射，其实可以被利用来抵消不需要的多光子发射。” ——Ravitej Uppu，物理与天文学系助理教授，本文通讯作者

这一理论突破为解决长期存在的光子源问题提供了一个颠覆性的思路：将激光噪声从负面因素转变为正面工具，进而提升量子技术的性能。

光子计算（Photonic Computing）：光子而非电子实现运算，具备更高速度与更低功耗的潜力。

量子比特（Qubit）：光子是实现量子信息处理的重要载体。

安全性：单光子源的高纯度与可控性可显著降低被截获与窃听的风险，正如“排队式”进餐而非混乱的人群流动。

单光子源的稳定与可控性是实现可扩展量子计算机与安全量子通信网络的关键。

Uppu强调，核心在于对激光束的细致控制：

入射角度

束形与尺寸

光谱与相位

通过精准调节这些参数，可以让激光束与原子产生的多余光子相位相互抵消，最终得到一个“极其纯净”的单光子流。

该研究在理论上证明了可以同时解决两大障碍。若在实验中得到验证，将为：

加速先进量子计算机的研发

提升量子通信的安全性

带来实质性进步。研究团队计划在后续实验中进一步验证并优化该技术。

论文题目：《Noise-assisted purification of a single-photon source》

期刊：《Optica Quantum》

资助：美国国防部研究与工程下属的副部级办公室（Office of the Under Secretary of Defense for Research and Engineering）。

另外，项目还得到了爱荷华大学副校长研究办公室通过P3项目发放的种子基金支持，帮助启动该研究。

简而言之，通过巧妙利用激光散射的噪声，爱荷华大学团队为单光子源的“净化”提供了新思路，这不仅有望突破现有技术限制，更为光子量子计算与安全通信奠定坚实基础。