Preservation of photon statistics upon selective molecular modulation in hollow-core fibers
本文证明了在充氢空心光纤中的拉曼分子调制可以将微弱光学信号在可见光与近红外波长之间进行选择性转换，其效率接近单位值，同时能够保持其底层的光子数统计特性，为光谱差异巨大的量子系统互连提供了一个通用的平台。
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在量子技术这一新兴领域，科学家们正在构建利用亚原子世界的奇特规则来解决问题、保障通信以及以前所未有的精度感知环境的机器。这些机器通常依赖光，具体而言是被称为“光子”的单个光粒子来携带信息。然而，正如20世纪50年代的广播电台无法轻易与现代智能手机通话而需要翻译器一样，不同的量子设备往往使用不同的光之“语言”。有些设备在可见光（即我们肉眼可见的颜色）下工作效果最好，而另一些则需要近红外光，这种光对我们来说是不可见的，但却是通过光纤进行长距离传输的理想选择。为了构建一个真正的量子设备网络，科学家需要一种方法来改变光子的颜色或频率，而不破坏其携带的脆弱信息。这一过程被称为“频率转换”（frequency transduction）。挑战不仅在于改变颜色，还在于要完美地完成这一过程，确保光的统计特性——即光子的分组和分布方式——在转换后保持完全一致。如果这些模式被改变，量子信息就会丢失，连接也会随之失败。
一支研究团队现在展示了一种能够以高精度执行这种微妙颜色变化的方法，并保留了光的基本统计特性。他们利用一种特殊的空心光纤（一种中间带有微小空隙的管状结构），并在其中填充了氢气来实现这一目标。在管内，他们使用一束强大的激光脉冲使氢分子进入同步振动状态，从而产生一种被称为“相干波”（coherence wave）的现象。可以将这种相干波想象成一种在气体中传播的有节奏的脉冲，随时准备与其它光发生相互作用。当携带量子信息的微弱信号光进入这个管子时，它会与这个有节奏的脉冲发生相互作用。根据系统的调节方式，信号可以获得能量并向蓝移（颜色变蓝），或者失去能量并向红移（颜色变红）。研究人员展示了这一过程可以将光从585纳米的黄绿色调转换为773纳米的近红外色调，甚至可以转换为471纳米的蓝色调。至关重要的是，他们证明了在这次旅程中，光子的模式保持完好，这意味着量子信息得到了保留。
该实验依赖于一个两阶段的设置，以确保过程正确运行。首先，团队通过用绿激光泵送纤维中的氮气，产生了一个具有特定统计特性的黄光源。这创造了一串可以调节其光子分布模式（从高度多变到非常均匀不等）的光脉冲。随后，这束光被送入第二阶段，即填充了氢气的空心光纤。在这里，另一束泵浦激光产生了同步的分子振动。研究人员通过仔细调节空心光纤内氢气的压力来充当“调谐旋钮”。通过将压力设定在约16.7巴（bar），他们使光能够向上频率转换至近红外波段。通过将压力增加到约28.1巴，他们使光能够向下转换至蓝色光谱。这种压力控制使得他们能够选择精确发生的颜色转换，从而防止了不必要的偏移，并确保只发生预期的颜色变化。
实验结果在效率和保真度方面都令人瞩目。在转换为近红外光时，系统保留了约70%的光子；而在转换为蓝光时，保留率接近90%。对于如此精细的过程而言，这些都是很高的转换率。更重要的是，团队测量了转换前后的光的统计特性。他们发现，描述光结构的“光子分布”被近乎完美地保留了下来。无论光是向长波长还是短波长移动，进入光纤的光模式与离开光纤的光模式都是匹配的。这证实了分子调制过程充当了一个忠实的“翻译官”，在改变光频率的同时，并没有扰乱其所承载的信息。
这项工作为连接不同类型的量子设备提供了一条切实可行的路径。由于该过程使用光纤电缆，因此与现有的电信基础设施兼容，使其更容易集成到未来的网络中。利用低能激光和适度气体压力在可见光与近红外区域之间转换光的能力，表明这项技术可以规模化缩小，用于紧凑型系统中。研究人员展示了他们如何弥合可见光量子发射器（如用于传感器的设备）与近红外量子存储器（对于存储信息至关重要）之间的鸿沟。通过证明光的统计完整性得以维持，该研究确立了空心光纤中的分子调制作为构建未来混合量子网络的一种可行且多功能的工具。
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