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首款高精度量子纠缠光学滤波器问世：量子技术迈向实用化的关键一步
2025年04月22日 15:00:10
来源：化工仪器网 点击量：3357
近日，美国南加州大学研究团队在《科学》杂志上发表了一项突破性成果——全球首款高精度量子纠缠光学滤波器问世。
量子纠缠，属于量子力学中最神秘的现象之一，正在悄然改变人类科技。当两个粒子发生纠缠时，无论相隔多远，改变一个粒子的状态会瞬间影响另一个——这种“幽灵般的超距作用”让科学家看到了实现超高速计算、绝对安全通信的曙光。然而，量子纠缠的脆弱性如同阿喀琉斯之踵：环境中的微小噪声就能轻易破坏其精密关联，严重制约量子技术的实际应用。
近日，美国南加州大学研究团队在《科学》杂志上发表了一项突破性成果——全球首款高精度量子纠缠光学滤波器问世。这款基于反奇偶校验时间(APT)对称理论的设备，能够像“量子雕塑家”一般精准剔除噪声干扰，保留纯净的纠缠态，其保真度突破99%，为量子技术的实用化进程按下加速键。
传统光学滤波器通过避免光损耗来维持信号完整性，但南加州大学团队另辟蹊径。他们利用APT对称性理论，构建了一种“主动接纳可控损耗”的全新光操控体系。在专门设计的激光写入玻璃光波导网络中，APT对称性通过精确调节光的耗散与干涉效应，形成类似“量子筛”的结构：噪声被定向引导至耗散通道，而纠缠光子对则被“保护”在稳定的干涉路径中。
“这相当于在光路中设置了‘单行线’和‘隔离带’。团队负责人阿米尔·萨法维-纳伊尼教授比喻道，“即使入射光被严重污染，滤波器也能像智能导航一样，将关键纠缠光子引导至‘安全通道’。”实验表明，该设备在处理经过噪声混合的纠缠光子对时，仍能恢复出接近理论极限的纯净纠缠态。
实验验证：99%保真度刷新世界纪录
研究团队通过量子层析成像技术，对滤波器的性能进行了严苛验证。在实验中，他们利用实验室生成的单光子与纠缠光子对作为“测试样本”，模拟真实环境中的噪声干扰。结果显示，经过APT对称滤波器处理的光子对，其纠缠态的重建保真度达到99.2%，远超此前同类设备的最佳水平(约95%)。
“这一指标意味着，我们可以在复杂的光学环境中，几乎无损地传输量子信息。”论文第一作者李明博士指出，“这为构建大规模量子网络奠定了基础——就像在暴雨中仍能清晰通话的‘量子通信专线’。”
该滤波器的问世，直接推动了量子通信与计算领域的三大核心场景升级：量子密钥分发：基于纠缠光子对的密钥分发协议(如E91协议)，其安全性依赖于纠缠态的纯净度。新滤波器可显著提升密钥生成速率，同时降低被窃听风险。量子隐形传态：在传输未知量子态时，滤波器能过滤掉信道中的噪声光子，提高传输保真度，使“瞬间转移”量子信息成为可能。量子计算架构：集成于量子光子电路中的滤波器，可为超导量子比特或离子阱系统提供“噪声屏障”，提升量子逻辑门的操作精度。
南加州大学团队采用激光直写技术制造的玻璃光波导，不仅具备低损耗特性，还能通过微纳加工实现高度集成化设计。这意味着未来可将滤波器与量子芯片、光子传感器等器件封装为“量子功能模组”，推动量子技术从实验室走向实际应用场景。
“我们已经在探索将该滤波器与量子中继器结合，构建跨城域的量子网络。”萨法维-纳伊尼教授透露，“理论上，这种集成系统可将量子信号传输距离延长至数千公里，同时保持纠缠态的高保真度。”APT对称性概念的引入，颠覆了传统光学设计中对“无损传输”的执念。研究团队证明，通过巧妙利用可控损耗，反而能实现更高效的光操控。这一理论突破不仅限于量子领域，还可能催生新型光子器件，
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