Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

在量子通信的隐秘世界中，安全性依赖于一个基本原则：不可预测性。想象两个人试图共享一个秘密代码。为了确保没有人能猜到它，他们发送的信号必须是真正的随机，而不仅仅是看起来随机，而是要诞生于宇宙本身的混沌本质。创造这些信号最有效的方法之一是使用极快闪烁的激光器。当激光器被关闭再重新开启时，它产生的光应该具有完全随机的“相位”，这本质上是光波波峰与波谷的定时。如果这种定时是随机的，信号就是安全的。然而，这里有一个陷款。如果激光闪烁得太快，前一次闪烁产生的光会残留在设备内部，像一个幽灵一样影响下一次闪烁。这种残留的光会产生一种模式，使信号变得可预测，从而破坏安全性。多年来，这种残留效应迫使科学家们不得不保持相对较慢的激光闪烁频率，限制了他们发送秘密信息或生成随机数的速度。

来自东芝欧洲有限公司（Toshiba Europe Ltd）和剑桥大学的研究团队发现了一种打破这一速度限制的方法。他们发现了一种强迫激光器“忘记过去”的方法，使其能够以每秒 100 亿次的频率闪烁，同时仍保持完美的随机性。为了实现这一点，他们并没有试图清除残留的光，而是用来自外部设备的全新、混沌的光源淹没了激光器。通过注入这种外部光（由一种通过纯粹的自发随机过程产生光的特殊二极管产生），他们压倒了激光器的记忆。这种外部光作为每一次闪烁的新种子，确保每一次脉冲都以一个完全新鲜且不可预测的相位开始。其结果是，激光可以以此前认为在安全量子应用中不可能实现的速率运行，有效地消除了阻碍高速量子通信的瓶颈。

研究人员使用了一种标准的激光二极管来测试他们的想法，这是一种在施加电流时发射光的器件。在正常设置中，他们会通过开关激光器来产生一列光脉冲。当他们在每秒 10 亿次闪烁的中等速度下运行该激光器时，系统运行符合预期。光脉冲是随机的，且脉冲之间的定时与前一次闪烁没有关联。然而，当他们将速度提高到每秒 100 亿次时，系统失效了。脉冲开始相互记忆。当前一次闪烁的光还在时，下一次闪烁就已经开始了，导致新的闪烁复制了旧的定时。这在脉冲之间建立了强烈的联系，破坏了安全所需的随机性。在这种高速下，激光器不再生成独立的信号，而仅仅是在重复一种模式，使其对于安全通信而言毫无用处。

为了解决这个问题，团队引入了第二个光源：超辐射二极管（superluminescent diode）。这种设备类似于激光器，但旨在发射出亮度高且具有方向性的随机光，就像一个更亮、更聚焦的灯泡。他们将这种随机光导入主激光器的谐振腔中。效果立竿见影且极其显著。一旦随机光进入激光器，脉冲之间的联系便消失了。即使在每秒 100 亿次闪烁的高速下，每一个新脉冲也都诞生于注入光的混沌噪声之中，而非前一次闪烁的“幽灵”。研究人员测量了输出光的强度，发现它遵循一种被称为反正弦分布（arcsine distribution）的特定统计模式，这是真正随机性的指纹。如果没有外部注入，模式是平坦且可预测的；有了它，模式便回到了安全所需的混沌形状。

团队还观察了光的颜色光谱，以了解激光器内部发生了什么。当激光在没有帮助的情况下运行过快时，光展现出一系列尖锐、清晰的谱线，就像梳子的齿一样。这些线条表明脉冲是完美同步并重复某种模式的。当他们加入外部随机光后，这些尖锐的线条消失了。光谱变成了一条平滑、连续的曲线，表明脉冲不再锁定在一起。外部光成功地扰乱了激光的定时，加速了光相位变得随机的过程。这使得激光即使在两次闪烁之间的时间极短的情况下，也能完全重置。

添加额外的光可能会导致脉冲定时过于不稳，这引起了一个担忧。研究人员测量了这种“抖动”（jitter），即每个脉冲到达时间的轻微变化。他们发现，随着注入光量的增加，抖动也会随之增加，从 4.4 皮秒上升到最高注入水平下的 21.9 皮索。然而，他们判定这种程度的“摇晃”是可以接受的。脉冲仍然有足够的重叠以便被正确测量，且随机性得到了保留。这种权衡是值得的：稍微降低定时精度是恢复使系统安全的本质随机性的微小代价。团队计算出，这种新方法理论上可以生成速率超过每秒 400 亿比特的随机数，这相对于现有能力是一个巨大的飞跃。

这一突破解决了量子技术发展中的一个主要障碍。目前，量子密钥分发系统的速度受限于激光器在不丢失随机性的情况下能切换多快。通过解决这个问题，研究人员为更快速的通信网络打开了大门。虽然激光本身现在可以以每秒 100 亿次的频率闪烁，但系统的其余部分，特别是捕捉光的探测器，需要跟上步伐才能充分利用这一速度。尽管如此，能够以如此高率生成安全随机信号是一个重要的进步。这表明，未来的量子网络可以运行在与今天的超高速互联网相当的速度上，使不可破解通信的承诺离现实更近一步。该方法简单且稳健，依靠光的物理基本原理来克服速度的限制，证明了有时向前迈进的最佳方式是引入一点受控的混沌。