美国物理学家最近成功地让单个光子携带的信息量达到1.63比特，这一数字打破了此前单个光子最多携带1.585比特信息的纪录。该研究成果有助于卫星通信的效率的最大化。相关论文3月23日在线发表于《自然—物理学》（Nature Physics）上。

 

从理论上而言，如果发射器能够调整单个光子的波长，而接收器能够高精度地测量和分辨该波长，那么一个光子能够携带的信息量可以轻松达到几个比特。不过，现行的技术还无法对单个光子进行上述处理。

 

实际中的单光子通信（single-photon communication）利用了光的另一特性——偏振（对光子而言就是极化作用）。即随着其电场的空间变化，每个光子在某一时刻必然具有两种极化状态之一（0或1）。简单的光学设备就能“读出”这种极化属性，因此，在最通常的情况下，一个光子可以编码入1比特信息。

 

不过，app家已经可以利用非线性的量子纠缠态来实现所谓的量子密集编码（quantum dense coding），从而增加单个光子携带的内容。其思路就是在光子的终极接收器A上都预备一对处于纠缠态的光子，并向发射器B传送其中之一。当B向A发回其信息光子时，通过测量该光子对的状态，就能得到四种可能性，这实际上就是2个比特的信息量。然而，由于普通的光学设备无法完全区分4种纠缠状态，最优也只能区分3种情况，这相当于单个光子携带了1.585比特信息。

 

在最新的研究中，美国伊利诺伊大学香槟分校的Julio Barreiro（第一作者）和同事为光子对的纠缠添加了一个新的自由度，即超纠缠（hyper-entangled）。两个光子不仅拥有自旋纠缠，而且被赋予了轨道角动量，这让它以螺旋状轨迹运动。虽然该过程并没有额外编码什么信息（携带信息的依然是极化方向），但这一光子“扭曲”能够让接收端梳理出密集编码方式中的4种状态。因此Barreiro说，“原则上我们现在可以令每个光子携带2比特信息了。”

 

由于目前的偏振分光器（polarising beam-splitters）等光学设备尚存缺憾，研究人员在实验中并没有实现完美的2比特，只达到1.63，但这一数字也仍然打破了此前的纪录。研究人员现在正在试图进行补偿，并尝试“挤入”更多的信息。

 

Barreiro表示，新的研究成果有助于实现卫星通信效率的最大化。3月初，奥地利和意大利app家首次证实了从地面向卫星进行单光子通信的可行性（）。不过，Barreiro认为，由于各种大气干扰因素（骚动、灰尘和水蒸气等）会破坏光子对的相干性，新的扭曲光技术可能在卫星间通信中更有潜力。

 

论文高级作者、利诺伊大学香槟分校的约翰•巴丁教授Paul Kwiat表示，“现在距最初实验实现量子通信已有10多年，但信道容量（channel capacity）仍是一个根本性的限制。”当然，光子通信的未来还有很大空间。如果能够将这种扭曲应用于编码信息，可能每个光子所能携带的信息还会超过2比特。（明升手机版(明升中国) 任霄鹏/编译）

 

（《自然—物理学》（Nature Physics），doi:10.1038/nphys919，Julio T. Barreiro, Tzu-Chieh Wei & Paul G. Kwiat）