Field-Widened Multimode Interferometer with Long Time-Bin Delay Using a Multi-Pass Herriott Cell

想象一下，你正试图用闪烁的光线发送一条秘密信息。在量子物理的世界里，这些闪烁可以以一种特殊的方式携带信息，这种方式被称为“时隙编码”（time-bin encoding），即信息隐藏在闪烁到达的“时间”里，而不只是光线的亮度。这是通过光纤（就像我们互联网使用的那些）发送量子秘密的常用技巧。但如果想通过开阔的空气——比如从卫星到地面站——来发送这些秘密呢？那里会变得非常混乱。空气中充满了湍流，就像夏天路面上升起的阵阵热浪，这会使光束发生畸变。这就像是站在一艘摇晃的小船上，试图把激光笔对准一个移动的目标。

为了解决这个问题，科学家们通常使用精密的、主动式的系统，它们的作用就像一面“智能镜子”，能够实时修正这种摇晃。但这些系统既笨重又复杂，而且会损失大量的珍贵光信号。一种更简单的“被动”方案是建造一种特殊的 light splitter（光分束器），即一种极其“宽容”的干涉仪，它完全不在意光束是否在晃动或变形。问题的关键在于，要让这些“场展宽”（field-widened）干涉仪在处理长延迟（即等待光行进很长一段距离）时正常工作，它们通常需要占据整间屋子那么大的空间，或者必须由沉重且致密的玻璃制成，这很难进行加工。

这正是来自加拿大的一个研究团队试图解决的难题。他们想要建造一种能处理长延迟、能应对杂乱畸变光束，且依然能装进一个小盒子里的分光机器。他们不只是在梦想，而是制造出了一个原型机并证明了其可行性。

该团队由 Ramy Tannous 及其同事领导，设计了一个巧妙的装置，使用了“赫里奥特池”（Heriot cell）。你可以把赫里奥特池想象成一个由两个相对的弧形镜组成的“光陷阱”。与其让光直来直去地往返，他们通过排列这些镜子，让光呈螺旋状跳跃，在逃逸前在镜面间多次碰撞。这就像是一个弹珠机，球在桌面上跳跃跳跃几十次，虽然走过了极长的路径，却始终保持在小巧紧凑的空间内。

通过将光路折叠成这种螺旋形状，研究人员可以创造出巨大的延迟——让光等待 12 纳秒（即 120 亿分之一秒）——而无需一个数米长的装置。通常情况下，12 纳秒的延迟需要约 3.6 米的路径差（因为光每纳秒大约行进 30 厘米）。通过使用这种多路径技巧，他们成功地将这段漫长的旅程压缩到了更小的占地面积内。

然而，真正的魔力在于，这种紧凑的设计同时也是“场展宽”的。用通俗的话说，这意味着该装置具有极高的“宽容度”。如果光束进入的角度稍微有点奇怪，或者被大气层扭曲了，该装置依然能完美运行。研究人员通过两种方式测试了他们的装置：首先是用一束完美的、平滑的激光束；其次是用一束杂乱的、“多模”的光束，这种光束经过处理后看起来就像是在湍流大气中传输的光。

结果令人印象深刻。在模拟实验和物理原型测试中，即使面对杂乱的光束，该装置仍保持了超过 0.9 的“可见度”（visibility，衡量光波如何干涉以产生清晰信号的指标）。当他们使用真实激光进行测试时，平滑光的可见度测量值为 0.97，而杂乱光的可见度为 0.95。甚至当他们使用脉冲激光产生实际的时隙消息，并让其穿过一段长而扭曲的光纤后再进入该装置时，他们依然实现了 0.88 的可见度。

论文明确排除了这样一种观点，即认为要获得长延迟和宽接收角，必须使用庞大的、房间大小的装置或沉重的致密材料。他们展示了标准的、未经校正的干涉仪（即没有特殊镜面技巧的那种）在光角度发生微小变化时表现得极其糟糕，会导致信号骤降。然而，他们的赫里奥特池设计即使在倾斜入射光时，也能保持信号强度。

他们对这些发现非常有信心，因为他们不仅仅依赖计算机模型，还制作了一个使用标准反射镜、并在不同颜色（532 nm 和 785 nm）下使用真实激光进行测试的物理原型。虽然他们注意到，与连续激光测试相比，脉冲激光测试中的可见度略有下降——这可能是由于设备中的微小不平衡或长路径损耗造成的——但他们确认了该装置确实成功处理了 12 纳秒的延迟以及杂乱的光照条件。

简而言之，该团队展示了一种如何建造“智能”分光器的途径，这种装置体积小到足以安装在卫星上，足够强健以应对摇晃的大气环境，并且足够快速以保护量子秘密。这是向使通过空气进行量子通信更加实用化迈出的一步，证明了你不需要一台巨大的机器也能做伟大的科学。