美国物理学家最近成功地让单个光子携带的信息量达到1.63比特，这一数字打破了此前单个光子最多携带1.585比特信息的纪录。该研究成果有助于卫星通信的效率的最大化。相关论文3月23日在线发表于《自然—物理学》（Nature Physics）上。

 

从理论上而言，如果发射器能够调整单个光子的波长，而接收器能够高精度地测量和分辨该波长，那么一个光子能够携带的信息量可以轻松达到几个比特。不过，现行的技术还无法对单个光子进行上述处理。

 

实际中的单光子通信（single-photon communication）利用了光的另一特性——偏振（对光子而言就是极化作用）。即随着其电场的空间变化，每个光子在某一时刻必然具有两种极化状态之一（0或1）。简单的光学设备就能“读出”这种极化属性，因此，在最通常的情况下，一个光子可以编码入1比特信息。

 

不过，科学家已经可以利用非线性的量子纠缠态来实现所谓的量子密集编码（quantum dense coding），从而增加单个光子携带的内容。其思路就是在光子的终极接收器A上都预备一对处于纠缠态的光子，并向发射器B传送其中之一。当B向A发回其信息光子时，通过测量该光子对的状态，就能得到四种可能性，这实际上就是2个比特的信息量。然而，由于普通的光学设备无法完全区分4种纠缠状态，最优也只能区分3种情况，这相当于单个光子携带了1.585比特信息。

 

在最新的研究中，美国伊利诺伊大学香槟分校的Julio Barreiro（第一作者）和同事为光子对的纠缠添加了一个新的自由度，即超纠缠（hyper-entangled）。两个光子不仅拥有自旋纠缠，而且被赋予了轨道角动量，这让它以螺旋状轨迹运动。虽然该过程并没有额外编码什么信息（携带信息的依然是极化方向），但这一光子“扭曲”能够让接收端梳理出密集编码方式中的4种状态。因此Barreiro说，“原则上我们现在可以令每个光子携带2比特信息了。”

 

由于目前的偏振分光器（polarising beam-splitters）等光学设备尚存缺憾，研究人员在实验中并没有实现完美的2比特，只达到1.63，但这一数字也仍然打破了此前的纪录。研究人员现在正在试图进行补偿，并尝试“挤入”更多的信息。

 

Barreiro表示，新的研究成果有助于实现卫星通信效率的最大化。3月初，奥地利和意大利科学家首次证实了从地面向卫星进行单光子通信的可行性（点击查看论文）。不过，Barreiro认为，由于各种大气干扰因素（骚动、灰尘和水蒸气等）会破坏光子对的相干性，新的扭曲光技术可能在卫星间通信中更有潜力。

 

论文高级作者、利诺伊大学香槟分校的约翰•巴丁教授Paul Kwiat表示，“现在距最初实验实现量子通信已有10多年，但信道容量（channel capacity）仍是一个根本性的限制。”当然，光子通信的未来还有很大空间。如果能够将这种扭曲应用于编码信息，可能每个光子所能携带的信息还会超过2比特。（科学网 任霄鹏/编译）

 

（《自然—物理学》（Nature Physics），doi:10.1038/nphys919，Julio T. Barreiro, Tzu-Chieh Wei & Paul G. Kwiat）