2026年7月1日——光子的量子特性极其脆弱。当研究人员试图测量它们时，即使在通往探测器的路途中发生微小损失，也会使其隐形，从而限制了它们在受控环境之外的应用。一个由马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）科学家参与的国际研究团队展示了一种新方法，可以同时测量光的多个量子通道并揭示其纠缠状态，即便在几乎全部光线在到达探测器前就已损失的情况下也能实现。该研究成果近日发表于《自然·通讯》，为可扩展量子技术开辟了新的可能性。

任何使用过老式收音机或电视机的人，都熟悉声音或画面中的噪声。这些随机波动会扭曲传输的信息。光的行为也类似。它也表现出噪声，表现为电磁场的波动。即使是完美的激光也存在此类波动，称为散粒噪声。

压缩光：解决方案与挑战并存

通过一种称为压缩的量子过程，光的噪声甚至可以被降至散粒噪声以下。压缩光如今是许多量子技术（从量子计算到精密测量）的核心资源。例如，它被用于LIGO（探测到引力波的天文台之一），以提高对来自太空的极微弱信号的灵敏度。

所有光的量子态都是脆弱的，但压缩光对损耗尤其敏感。这不仅在光学操作过程中是一个严重问题，在探测过程中也同样如此：一个有损耗的探测器可能会隐藏人们想要测量的量子特征，例如噪声降低和纠缠。这长期以来限制了压缩光的实际应用，这好比试图让肥皂泡在穿过狭窄管道时保持完好。

更多模式，更多可能性

在他们目前的工作中，一个由来自MPL（德国）、弗里德里希-亚历山大-埃尔朗根-纽伦堡大学（德国）、巴西物理研究中心（巴西）以及卡斯特勒-布罗塞尔实验室（法国）的科学家组成的国际团队，生成了多模压缩光。多模光类似于有许多条通向同一方向的道路：使用更多道路可以增加总运输容量。类似地，光束的模式作为携带信息的独立通道。然而，同时处理多模压缩光在技术上的挑战性远高于处理单束压缩光。

通过放大封装量子光

由MPL“量子辐射”研究组负责人Maria Chekhova教授领导的科学家们，没有直接测量压缩多模光，而是首先使用多模光学参量放大器（方案中标记为MOPA）对其进行了放大。这种设备可以在不引入噪声的情况下增强信号，使得即使在存在强损耗的情况下也能测量量子特性。“在探测前放大量子态，就像在运输前妥善包装易碎玻璃器皿一样”，FAU博士生、该论文的第一作者Mahmoud Kalash说道。

放大后，研究团队使用空间光调制器将光分离成其各个模式。该设备将每个模式发送到不同方向，从而可以独立访问每个模式。这种分离有一个显著的缺点：分选过程会引入极端损耗。超过99.7%的光在探测前就已损失。在正常情况下，这将完全破坏量子特性。然而，由于信号事先经过了放大，这些特性仍然可以获取。研究人员测量到高达7.9分贝的压缩，相当于噪声水平仅为完美激光的六分之一。此外，该团队还同时监测了其他八个模式。所有模式都显示出显著的压缩和高纯度，并且模式组之间显示出量子纠缠（在MOPA输入端由带连接的节点表示）。

这些结果表明，即使在极端损耗下，多模量子光也可以被测量。研究人员展示了如何克服复杂量子态探测中的限制，并为走向现实世界的高维量子技术提供了实用途径。“本工作中提出的方法为高维量子信息处理开辟了新的可能性，尤其是在复杂网络量子计算中，其中许多模式可以同时处理信息”，CBPF研究组组长、该研究的合著者Marcello Passos说道。