在自由空间中传输的量子相干性

滑铁卢大学（University of Waterloo）的研究人员报告了首次利用分散在自由空间中的光子成功转移和恢复量子相干性。该研究与量子通信、成像等领域的研究应用相关。量子相干性虽然是量子技术应用的基础，但在自由空间中却难以转移。迄今为止随着大气湍流和散射，量子相干性的质量严重下降，因此它仅限于直线通道传播。论文的主要作者、量子计算研究所（IQC）和滑铁卢大学物理和天文学系的博士后研究员Shihan Sajeed说："这种通过分散光子传输量子相干性的能力意味着，现在你可以做许多以前需要直线通道传播所做的事情。"

激光的每个光学脉冲都通过相位转换器发送，从而产生两个相干脉冲，而多模分析仪则测量分散在目标表面的信号，这可以用普通的亮纸实现。单光子探测器阵列用作检测器件，每个时间标记分别有 8 × 8 个单个像素。滑铁卢大学Shihan Sajeed 和Thomas Jennewein供图。

通过空气发送和接收光子进行量子通信或其它量子编码协议通常需要发射器和接收器之间的直线连接。光学路径中的任何物体（即使像分子一样小或者像墙一样大），也会反射和散射一些光子，这取决于物体的反射质量。光子编码的任何量子信息通常都会丢失，因此会扰乱量子通道。Sajeed 与 IQC 量子光子学实验室的主要研究员Thomas Jennewein一起，找到了一种将量子相干性编码的方法，即一个接一个的光子脉冲对，这样即使在从漫射表面散射后，它们也会保持相干性。研究人员发出一组脉冲对，它具有特定的相位一致性，可以使用量子干扰从分散的光子中测量。他们还使用了单光子探测器阵列传感器，该传感器除了解决大气湍流引起的波前变形外，还充当成像仪，从而能够同时观察单光子的干扰和成像。他们调整探测器的方向，以便它只能吸收激光脉冲中分散的光子，他们观察到的能见度超过90%，这意味着分散的光子即使在与物体碰撞后仍能保持其量子相干性。

该方法需要定制的硬件来利用研究人员在这个过程中产生的相干光。例如，他们使用的单光子探测器能够每秒探测到10亿个光子，其精度为100皮秒。该团队还必须设计自己的电子适配器板，以便能够在探测器和处理数据的计算机之间进行通信。Sajeed 说："我们的技术可以帮助用量子信号对物体进行成像，或在嘈杂的环境中传输量子信息。返回传感器的分散光子具有一定的相干性，而环境中的噪音不会，因此我们可以过滤掉除最初发送的光子以外的所有噪音。"Sajeed认为，这项工作将成为在自由空间环境中进行量子传感、通信和成像等新研究和应用的催化剂。尽管Sajeed和Jennewein能够展示量子、通信和成像技术，但Sajeed说还需要进一步研究来决定他们的技术如何用于实际应用中。Sajeed说："我们相信，这可以用于量子增强激光雷达、量子传感、非视线成像和许多其它领域，其可能性是无穷无尽的。"

这项研究发表在《Science & Applications》上(www.doi.org/10.1038/s41377-021-00565-y).