多模挤压态的实时监测

为何监视量子光重要

通常人们认为光是平滑而连续的，但在量子尺度上它变得颗粒化并带有噪声。物理学家学会了“挤压”这些噪声，将其在有用的方向上压低，从而提高传感器精度、增强通信安全并提升量子计算机的能力。本文的工作展示了如何在单一激光束内实时观察和控制多种挤压光模式——这一能力可能为更强大的量子技术打开大门。

一束光中隐藏的多种模式

一束激光可以悄然携带数十种不同的空间光模式，称为模，每种模式可以承载其自身的挤压量子态，因此一束光可以充当高容量的量子数据总线。然而直到现在，科学家只能逐个检查这些模式，使用将被测光与参考光束比较的方法。这种方法速度慢，易受损耗与噪声影响，并且本质上只能一次观测单个模式——这对于依赖多模式协同工作的、大规模量子网络或计算来说远远不够理想。

用光来读出光

作者用另一种经过特别设计的光学放大器替代了传统探测器。这种基于非线性晶体的放大器可以放大或抑制入射量子光的特定涨落，并在放大之后在很大程度上不受常规损耗的影响。因为放大器本身支持多种空间模式，它可以同时作用于所有这些模式。通过细致地塑形驱动放大器的强泵浦光束，团队使放大器的内部模式与入射挤压光的模式密切匹配，使输入束中的每一种模式都能在输出处干净地映射到相应的模式上。

同时分拣并测量多种模式

放大后，不同的空间模式仍然一起在一束光中传播，所以下一步的挑战是将它们分离而不破坏其量子特性。研究人员使用可编程器件将每种模式偏转到相机上的不同明亮斑点上，有效地将一叠重叠的模式变成一组独立的像素。尽管这一分拣过程极其有损——不到每300个光子中有1个实际到达探测器——之前的放大步骤使得测量变得稳健。通过这种方式，他们同时监测了九个不同的空间模式，并在缓慢改变泵浦相位时追踪这些模式的量子噪声如何在被挤压与反挤压值之间摆动。

在一束光中构建量子网络

实时访问多个独立模式让团队不仅能单独测量它们。通过对这些模式进行适当的叠加，他们形成了称为簇态的小型量子网络构件，在这些构件中多个“节点”共享强烈的量子相关性。作者演示并表征了许多两节点簇，并估计了以相同底层空间模式的不同组合编码的更大三、四、五节点网络的质量。值得注意的是，尽管总体探测损耗很大，他们仍在基模上观察到非常强的挤压——接近八分贝且纯度高——创下了脉冲挤压光的记录。

这对未来量子器件意味着什么

对非专业人士来说，核心信息是作者已将一种脆弱且难以测量的量子资源，转变为可以在多通道上实时观察与操控的对象。通过使用天然匹配于挤压光源的光学放大器，他们克服了损耗、带宽限制和单模操作的常见惩罚。相同策略可扩展到频率（颜色）模式以及空间模式，并可扩展到数十或数百个模式。这使该技术成为驱动未来量子传感器、超安全通信链路以及依赖复杂纠缠光网络的大型连续变量量子计算机的有力候选者。

引用: Kalash, M., Sudharsanam, A., M. Passos, M.H. et al. Real-time monitoring of multimode squeezing. Nat Commun 17, 3904 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72357-0

关键词: 多模挤压光, 光学参量放大, 量子成像, 连续变量纠缠, 簇态