Tunable spectral correlations of highly multimode visible light via broadband quantum frequency conversion

光不仅仅是照亮房间的一束光线，它还是一个复杂的信息载体，能够以多种不同的方式同时承载数据。从事量子物理研究的科学家们长期以来一直试图利用这些隐藏的层面，来构建能够解决当今机器无法处理的问题的计算机，或是能够探测宇宙中最微弱耳语的传感器。为了实现这一目标，他们经常使用一种被称为“挤压光”（squeezed light）的特殊光。想象一个被挤压过的气球，它在某个方向变得非常薄，而在另一个方向变得非常长；在量子世界中，这种挤压减少了光的一种特定属性的不确定性，使其成为一种强大的精密工具。多年来，研究人员一直能够利用红外波长产生这种挤压光，红外光对肉眼而言是不可见的，并且能在用于电信的玻璃纤维中良好传输。然而，一直存在一个主要的瓶颈：用于计数单个光粒子（或称光子）的最佳相机在可见光（即我们肉眼所见的类型）下表现最好。红外光对于这些灵敏的相机来说很难检测，除非使用昂贵的超低温设备。

康奈尔大学和 NTT Research 的一个研究小组现在填补了这一空白，展示了一种将高度复杂的红外光转化为可见光而不丢失其微妙量子特性的方法。他们通过使用一种称为“绝热频率转换”（adiabatic frequency conversion）的过程实现了这一点。可以将这想象成一个高级的翻译器，它将光的“语言”从红外转换为可见光，但转换过程如此平滑且高效，以至于光内部复杂的模式和相关性得以完美保留。研究人员生成了一种同时包含数百个不同频率通道的光的状态，这一成就此前从未在如此规模上实现过。通过将这种光转换为可见波长，他们能够使用配备了数百万个微型传感器的标准室温相机进行测量，而不是依赖于少数专门的、处于深低温环境下的探测器。这一突破为构建更实用、更容易扩展的大规模量子系统开辟了一条新路径。

实验始于挤压光的创建。团队使用了一种被称为光学参量放大器（optical parametric amplifier）的装置，该装置将一束激光脉冲分裂成成对的光子。由于这一过程的工作原理，产生的不仅仅是一束简单的光，而是一种包含超过 400 个不同频率模式的高度结构化状态。这些模式就像高速公路上的各个车道，每个车道都携带着自己的信息流，并共同旅行。研究人员证实了这种光确实处于挤压态，这意味着系统中的噪声低于普通光所能达到的水平。他们测量了光的频谱，发现其跨越了巨大的频率范围，覆盖了超过 45 太赫兹。这个带宽之宽，足以令地球上所有广播电台和电视台使用的频率总和都显得相形见绌。

一旦生成了这种复杂的红外光，团队便面临着将其转换为可见光的挑战。以往改变量子光颜色的尝试往往会导致信号显著丢失或量子特性的退化。研究人员通过使用绝热频率转换克服了这一难题，这种技术依赖于光在通过一种特殊晶体时环境条件的逐渐变化。他们将红外光与第二束更强的激光脉冲混合在一起。通过仔细塑造第二束脉冲的轮廓，他们引导红下红外光子转化为波长为 620 纳米（呈现为明亮的红色）的可见光子。该过程效率极高，几乎将所有的光从红外范围转换到了可见范围，且没有扰乱量子信息。

他们成功的真正考验在于测量转换后的光。他们将可见光束投射到一个电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机上，这是一种能够高精度检测单光子的传感器。由于光现在变成了可见光，相机可以同时捕捉整个光谱，就像一个由数百万个探测器组成的并行阵列。研究人员观察到，击中相机的光在每次脉冲中平均包含近 700 个光子，分布在数百个频率模式中。更重要的是，这些光子的统计模式符合挤压光的预测。不同频率模式之间的相关性依然保持强劲，证明了转换过程保留了光的量子特性。这是一个关键发现，因为它证明了脆弱的量子态可以在从红外到可见光谱的旅程中幸存下来。

除了单纯地转换光，团队还展示了他们可以在转换过程中操纵不同频率模式之间的关系。通过改变用于驱动转换的激光脉冲形状，他们可以改变不同部分的光如何相互作用。这类似于拥有一个可编程的分束器，可以实时混合和匹配数百个通道的光。控制这些相关性对于先进的量子计算任务至关重要，因为在这些任务中，纠缠粒子的排列方式决定了计算的结果。研究人员证明，只需调整脉冲形状，他们就能创造出不同的纠缠模式，从而在转换过程中有效地对量子态进行编程。

这项工作的意义延伸到了量子技术的未来。通过展示可以高效生成、操纵并使用可见光探测器测量高度多模挤压光，研究人员消除了扩展量子系统的一个重大障碍。使用紧凑、相对廉价且可在室温下运行的标准相机技术，为目前红外检测所需的复杂深低温装置提供了一个实用的替代方案。团队估计，他们的方法可以支持拥有数千个模式的系统，远超以往实验的能力。虽然目前的设置在处理速度和对每一个单一模式的精确控制方面仍存在局限性，但概念验证是坚实的。研究人员已经证明，频率域是一个可行且强大的量子信息平台，为此前难以企及的新型量子传感和计算实验打开了大门。

这一成就代表了量子光学实际应用迈出的重要一步。它使该领域离构建能够在专门实验室环境之外运行的大规模量子计算机和传感器的目标又近了一步。能够同时生成、操纵并以高效率测量数百个模式的挤压光，为未来的发展提供了坚实的基础。随着研究人员继续完善他们的技术，特别是提高检测速度和脉冲整形精度，这些系统解决复杂现实世界问题的潜力也在不断增长。这项工作证明了结合不同物理领域以克服技术障碍的力量，将理论上的可能性转化为了切实的现实。