2026年9月14日——光子可以将量子信息从一个量子比特传递到另一个量子比特——但这种传递并不总能成功。维也纳工业大学的研究人员如今表明，通过定制光子的脉冲形状，可以大幅提高成功率。

绝大多数现代量子技术——从量子密码学到量子互联网，再到量子计算机——都依赖于一个绝对关键的基本要素：光子的传输。两个量子比特（例如两个原子）交换信息：一个量子比特发射光子，另一个量子比特吸收光子。

然而，这一过程并非完美运行。光子实际被吸收的概率远低于百分之百：使用传统方法，最多只能实现约54%的成功率——在近一半的情况下，光子会丢失。维也纳工业大学的一个团队如今提出了如何解决这一问题的方案：必须反转光子的形状——而这可以通过一个相当简单的技巧实现。

量子粒子与钟声

“当一个量子比特发射光子时，你不能把光子想象成一个只是被射出的微小粒子，”维也纳工业大学理论物理研究所的 Dr. Zeyu Kuang 说。“光子是一种波，而波具有一定的形状和一定的延展范围。”

声波也是如此：当你用锤子敲击钟时，声波并非只在那个非常特定的瞬间产生——声音会持续一段时间。在锤子敲击的那一刻，声波最强，之后则缓缓消退。

光子从量子比特发射时所产生的波也有非常相似的形状：一开始非常显著，之后呈指数衰减。可以说，光子的波具有“锯齿”形状。

这种“光子锯齿”现在从第一个量子比特向外传播，并可以通过波导被有针对性地引导至第二个量子比特，在那里它应当被吸收。然而，吸收概率取决于光子的波形。而这种锯齿形状——起初强，随后衰减——实际上与第二个量子比特能够最有效吸收的波形匹配得很差。时间反演的脉冲会好得多：它逐渐上升，最后达到最大值。

对光子脉冲进行时间反演

“这来自量子力学中的时间反演对称性，”Oliver Diekmann 解释道。“在理想条件下，量子动力学是可逆的。如果一个量子比特完美地发射出具有特定波形的光子，那么时间反演过程会告诉我们，该量子比特能够完美吸收哪种波形。”

因此，维也纳工业大学团队面临的问题是：如何反转光子的时间波形？“在真空中，光总是以完全相同的速度传播，即光速，”Prof. Stefan Rotter 说。“但在光学波导中，情况未必如此。波的不同频率成分传播得比其他成分更快——在数学上，这由所谓的色散关系来描述。”  基于这一想法，研究人员提出将两个量子比特置于波导中，并设计其色散关系，使发射出的光子脉冲的波形能够精确地自我反转，从而实现理论上百分之百的吸收概率。

“我们计算了如何实现这一目标，并在计算机上模拟了该过程，”Prof. Carlos Gonzalez-Ballestero 说。“我们的结果表明，所需的装置在技术上应当可行。这种被动方法可以显著改善量子比特对光子的吸收，从而提高许多量子技术的效率。”