美國物理學(xué)家最近成功地讓單個光子攜帶的信息量達到1.63比特，這一數(shù)字打破了此前單個光子最多攜帶1.585比特信息的紀錄。該研究成果有助于衛(wèi)星通信效率的最大化。相關(guān)論文3月23日在線發(fā)表于《自然?物理學(xué)》上。

      從理論上講，如果發(fā)射器能夠調(diào)整單個光子的波長，而接收器能夠高精度地測量和分辨該波長，那么一個光子能夠攜帶的信息量可以輕松達到幾個比特。不過，現(xiàn)行的技術(shù)還無法對單個光子進行上述處理。

      實際中的單光子通信利用了光的另一特性??偏振(對光子而言就是極化作用)，即隨著其電場的空間變化，單個光子在某一時刻必然具有兩種極化狀態(tài)之一(0或1)。簡單的光學(xué)設(shè)備就能“讀出”單個光子的這種極化屬性，因此，在最通常的情況下，一個光子可以編碼入1比特信息。

      不過，科學(xué)家已經(jīng)可以利用非線性的量子糾纏態(tài)來實現(xiàn)所謂的量子密集編碼，從而增加單個光子攜帶的內(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，通過測量該光子對的狀態(tài)，就能得到4種可能性，這實際上就是2個比特的信息量。然而，由于普通的光學(xué)設(shè)備無法完全區(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)于單個光子攜帶了1.585比特信息。

      在最新的研究中，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Julio Barreiro和同事為光子對的糾纏添加了一個新的自由度，即超糾纏。兩個光子不僅擁有自旋糾纏，而且被賦予了軌道角動量，這讓它以螺旋狀軌跡運動。雖然該過程并沒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：“原則上我們現(xiàn)在可以令每個光子攜帶2比特信息了。”

      由于目前的偏振分光器等光學(xué)設(shè)備尚存缺憾，研究人員在實驗中并沒有實現(xiàn)完美的2比特，只達到1.63比特，但這一數(shù)字依然打破了此前的紀錄。研究人員現(xiàn)在正試圖進行補償，并嘗試“擠入”更多的信息。

      Barreiro表示，新的研究成果有助于實現(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)家首次證實了從地面向衛(wèi)星進行單光子通信的可行性。不過，Barreiro認為，由于各種大氣干擾因素(騷動、灰塵和水蒸氣等)會破壞光子對的相干性，新的扭曲光技術(shù)可能在衛(wèi)星間通信中更有潛力。

      論文高級作者、伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Paul Kwiat表示：“現(xiàn)在距最初實驗實現(xiàn)量子通信已有10多年，但信道容量仍是一個根本性的限制。”當(dāng)然，光子通信的未來還有很大空間。如果能夠?qū)⑦@種扭曲應(yīng)用于編碼信息，可能每個光子所能攜帶的信息還會超過2比特。