国家标准与技术研究所 进入的信号(红色，左下)通过分束器进入光子探测器，该探测器有一个附加的时间寄存器(右上)
接收器将参考光束发送到分束器，以消除入射脉冲，从而检测不到光
如果检测到一个光子，这意味着接收器使用了不正确的参考光束，需要进行调整
接收器使用光子探测的精确时间，以较少的猜测达到正确的调整
记录的检测时间和参考波束频率的历史的组合被用来找到输入信号的频率
信用:NIST 美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员设计并演示了一种系统，该系统可以显著提高通信网络的性能，同时能够以创纪录的低误差检测最微弱的信号，有可能将最先进网络所需的总能量降低10到100倍
原理验证系统由一种新型接收器和相应的信号处理技术组成，与当今网络中使用的方法不同，该技术完全基于量子物理的特性，因此能够处理带有携带许多数据位的脉冲的极其微弱的信号
“我们用现成的组件搭建了通信测试平台，以证明支持量子测量的通信有可能被广泛用于商业用途，”联合量子研究所的物理学家伊万·布伦科夫说，该研究所是NIST和马里兰大学的研究伙伴
布伦科夫和他的同事在《物理评论·量子》上报道了这一结果
“我们的努力表明，量子测量为电信带来了前所未有的其他宝贵优势，带来了信道带宽和能效的革命性改进
" 现代通信系统的工作原理是将信息转换成激光产生的数字光脉冲流，信息以光波特性变化的形式进行编码，以便传输，然后在到达接收器时进行解码
当脉冲串沿着传输信道行进时，它变得越来越微弱，并且用于接收和解码数据的传统电子技术已经达到了其精确检测这种衰减信号中的信息的能力的极限
信号脉冲可以缩小到只有几个光子那么弱——或者平均小于一个光子
在这一点上，不可避免的随机量子波动被称为“散粒噪声”，使得普通技术(经典技术，与量子技术相反)无法准确接收信号，因为噪声引起的不确定性构成了减弱信号的很大一部分
因此，现有系统必须以相当大的能量成本沿传输线反复放大信号，保持信号足够强以可靠地检测
NIST团队的系统可以消除对放大器的需求，因为它可以可靠地处理甚至极其微弱的信号脉冲。“传输一个比特所需的总能量需求成为阻碍网络发展的一个基本因素，”NIST团队的高级科学家谢尔盖·波利亚科夫说
“目标是减少激光、放大器、探测器和支持设备在长距离可靠传输信息时所需的总能量
在我们的工作中，我们证明了在量子测量的帮助下，甚至微弱的激光脉冲也可以用来传递多位信息——这是实现这一目标的必要步骤
" 为了提高信息传输的速度，网络研究人员正在寻找方法，通过利用光波的附加特性，对每个脉冲编码更多的信息
因此，一个单一的激光脉冲，取决于它最初是如何准备传输的，可以携带多位数据
为了提高探测精度，量子增强型接收机可以安装在经典网络系统上
迄今为止，这些混合组合每个脉冲最多可处理两位
NIST量子系统使用多达16个不同的激光脉冲来编码多达4位
为了证明这种能力，NIST的研究人员创建了一个微弱的激光脉冲输入，相当于一个大大衰减的传统网络信号，每个脉冲的平均光子数从0
5到20(虽然光子是完整的粒子，但是小于1的数字仅仅意味着一些脉冲不包含光子)
在准备好这个输入信号后，NIST的研究人员利用它的波状特性，比如干涉，直到它最终以光子(粒子)的形式到达探测器
在量子物理领域，光可以作为粒子(光子)或波，具有频率和相位(波峰的相对位置)等属性
在接收器内部，输入信号的脉冲序列与一个单独的、可调节的参考激光束相结合(干涉)，该参考激光束控制组合光流的频率和相位
在这样微弱的信号中读取不同的编码状态是极其困难的
因此，NIST系统被设计成通过尝试将参考激光的特性与其精确匹配来测量整个信号脉冲的特性
研究人员通过一系列连续的信号测量来实现这一点，每一次测量都增加了精确匹配的可能性
这是通过调整参考脉冲的频率和相位来实现的，以便当信号在分束器处组合时，参考脉冲与信号相消干涉，从而完全抵消信号，因此无法检测到光子
在这个方案中，散粒噪声不是一个因素:完全消除没有不确定性
因此，与直觉相反，完全精确的测量结果是没有光子到达探测器
如果参考脉冲的频率错误，光子可能会到达探测器
接收器使用该光子检测的时间来预测最可能的信号频率，并相应地调整参考脉冲的频率
如果该预测仍然不正确，则下一个光子的检测时间导致基于两个光子检测时间的更准确的预测，以此类推
“一旦信号与参考光束相互作用，探测到光子的概率随时间而变化，”布伦科夫说，“因此光子探测时间包含了关于输入状态的信息。”
在第一次光子探测后，我们利用这些信息来最大化正确猜测的机会
“我们的通信协议旨在为信号光和参考光的不同组合提供不同的时间轮廓
那么检测时间可以用来以一定的确定性区分输入状态
确定性在开始时可能很低，但在整个测量过程中会得到改善
我们希望在第一次光子检测后将参考脉冲切换到正确的状态，因为信号只包含几个光子，并且我们用正确的参考测量信号的时间越长，我们对结果的信心就越好
" 波利亚科夫讨论了可能的应用
他说:“互联网未来的指数增长将需要通信技术的范式转变。”
“量子测量可能成为这项新技术
我们用一个新的量子接收器和最佳编码协议证明了创纪录的低错误率
我们的方法可以显著降低电信能耗
"
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