2026年8月19日——麻省理工学院（MIT）的研究人员克服了一项长期阻碍微波量子技术在先进信号处理和安全通信领域实际部署的重大挑战。

该团队开发了一种可扩展平台，无需笨重且昂贵的冷却设备即可产生成对的高度相关射频波。在量子技术中，这些相互关联的无线电波可用于抗噪声通信或高精度雷达与传感。然而，它们通常只能在极低温条件下的研究实验室中产生。

MIT研究人员制造了一种小型电子设备，可在室温下产生相同类型的高度相关信号。

该设备包含一层磁性薄膜，磁性薄膜与金属腔内的微波能量相互作用，将输入信号分成两个相互关联的输出信号。研究人员使用该设备演示了安全通信——将信息编码在一个信号中，只有使用其配对信号才能恢复该信息。

“我们已经展示了如何利用磁体的量子特性来实现新的通信和探测技术。我希望我们对这一平台的演示能够推动室温量子模拟器的进一步发展，这些模拟器在实现未来许多科学发现方面具有巨大潜力，”电气工程与计算机科学（EECS）研究生、该技术论文第一作者Qiuyuan Wang表示。

论文的共同作者包括伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究生Aravind Karthigeyan、MIT博士后Chung-Tao Chou，以及资深作者、EECS副教授兼电子学研究实验室成员Luqiao Liu。该研究今日发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）上。

同步信号

微波光子是构成无线通信和传感信号的基本粒子。

科学家可以使用一种名为约瑟夫森结（Josephson junction）的器件将一个微波光子分成两个紧密相关的光子，该器件是超导电路的组成部分。这些相互关联的微波光子可用于安全通信或能够探测极微弱信号的高性能雷达系统等应用。

为了利用这些相关信号实现安全通信，工程师可以设计电子设备，通过改变信号特性将数据编码在一个信号中，使信息只能在传输的另一端使用匹配信号进行解码。但为了有效运行，超导电路必须保持在零下273摄氏度以下，通常需要放置在笨重、昂贵且能耗极高的低温恒温器中。

在开展另一条研究线路的过程中，Liu课题组的科学家意识到，他们可以使用磁体而非低温冷却的超导电路来产生相同的高度相关微波信号。

通过将磁性薄膜放入微波谐振器（一种捕获电磁能的金属腔），他们可以在室温下将一个输入的微波光子分成一对频率不同且完美同步的信号。

“每个信号单独看起来是随机的，但它们的相位关系保持强相关，”Wang解释道。

他们的设备依赖于磁振子（magnon），即微小的磁能量包。通常，将微波光子泵入磁系统会产生一对频率相同的相关磁振子。

尽管两个磁振子是相关的，但由于它们频率相同，科学家无法将它们分开。为了在安全通信中用一个信号进行传输、另一个信号进行探测，他们需要分离这两个磁振子。

混合系统

通过将磁性薄膜与微波谐振器耦合，并精心控制泵入设备的能量，研究人员可以形成混合磁振子-光子波。这些混合波输出一对具有不同微波频率的同步信号。

这些信号保持强相关，但由于频率始终不同且随机，攻击者无法在没有匹配信号作为密钥的情况下恢复编码在其中一个信号中的信息。

研究人员通过将一张小图像编码在一个微波信号的频率中演示了这一点。他们使用其配对信号成功解码并提取了该图像。

“磁振子系统表现出极其丰富的非线性动力学，但这些非线性尚未像非线性光学和其他动力系统中的非线性那样被广泛用于实际应用。在这项工作中，我们解决了一个重要挑战：由同一泵浦光子产生的一对‘孪生’磁振子之间的频谱重叠。通过利用磁振子与微波光子耦合产生的能级排斥，我们成功地将两个磁振子在频率上分开，”Liu表示。“我们相信这一演示可以为量子雷达、安全通信和量子极限传感等技术奠定基础，所有这些技术都依赖于相关——并最终纠缠——的微波源。”

这种混合磁振子-微波系统还可用于抗噪声通信，使接收器能够解码被干扰传输的随机数据所破坏的消息。

相关微波信号也是量子模拟器的关键要素，量子模拟器是一种能够模拟经典计算机无法处理的亚原子粒子复杂行为和相互作用的设备。科学家正在开发量子模拟器，以发现新药物和新材料。

通过在室温下产生相关信号，这项新技术可以提高量子模拟的可扩展性并降低成本。未来，研究人员希望为其平台开发可扩展架构，使其向实际部署更近一步。他们还希望探索该过程的更多应用，并使用他们的平台研究相关微波信号的基础物理。

“非简并参量磁振子-极化子平台的创建标志着腔磁振子学的一个重要里程碑，将该领域从相干微波产生扩展到多通道相关微波光子的产生，”加拿大曼尼托巴大学杰出物理与天文学教授Can-Ming Hu表示，他没有参与这篇论文。“这一突破将广泛影响安全微波通信、硬件随机数生成、基于相关的信号处理和智能微波传感——所有这些都将在室温下的经典领域内运行。展望未来，这一平台很可能被铭记为基于非线性腔磁振子学实现量子启发的微波传感与通信技术的起点。”