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亚利桑那大学的研究团队与国际合作者近日在《光：科学与应用》杂志上发表了一项突破性研究，利用超快光脉冲实时捕捉和控制量子不确定性。这一发现有望为更安全的通信和超快量子光学的发展铺平道路。该研究的通讯作者、物理学和光学科学副教授 Mohammed Hassan 表示，这一突破的核心在于“压缩光”。
在量子物理学中，光由两个相互关联的属性来标识，这些属性大致对应于粒子的位置和强度，但永远无法以完美的精度被确定，这一现象被称为不确定性。Hassan 解释道：“普通光就像一个圆形气球，不确定性在测量之间均匀分布。压缩光——也被称为量子光——被拉伸成椭圆形，其中一个属性变得更安静、更精确，而另一个属性变得更嘈杂。”
压缩光在引力波探测器中已有应用，用于消除背景噪声并检测由遥远天体引起的时空微弱涟漪。然而，之前的压缩光应用依赖于持续毫秒的激光脉冲。Hassan 团队希望探索是否可以使用以飞秒（即千万亿分之一秒）为单位的超快脉冲生成压缩光。
“用超快激光脉冲生成量子光将是一个革命性的步骤，也是量子光学和超快科学的首次真正结合，”Hassan 说。团队开发了一种新方法，利用四波混频过程产生极短的光脉冲，将激光分成三束相同的光束，并将它们聚焦到熔融石英中，产生了超快压缩光。
与早期方法不同，Hassan 的团队不仅压缩了光子的相位，还压缩了光子的强度，并展示了通过调整石英相对于分裂光束的位置在强度和相位压缩之间波动的能力。Hassan 表示：“这是首次展示超快压缩光，也是首次实时测量和控制量子不确定性。通过将超快激光与量子光学结合，我们正在开启一个新领域：超快量子光学。”
团队已将该技术应用于安全通信领域。Hassan 解释道：“使用我们的方法，窃听者不仅会干扰量子态，还必须同时知道密钥和确切的脉冲幅度。他们的干扰会影响幅度压缩，这意味着他们无法确定正确的不确定性，任何解码的数据都是不准确的。”
除了安全通信，Hassan 希望超快量子光能够推动量子传感、化学和生物学的发展，从而带来更精确的诊断、新的药物发现方法和用于环境监测的超灵敏探测器。
该研究由 Mohammed Hassan 与论文的第一作者、光学和物理学研究生 Mohamed Sennary、光学科学助理教授 Mohammed ElKabbash 以及来自巴塞罗那科学技术研究所、慕尼黑路德维希·马克西米利安大学和加泰罗尼亚研究与高级研究所的合作者共同完成。
更多信息： Mohamed Sennary 等，阿秒量子不确定性动力学和用于量子通信的超快压缩光，《光：科学与应用》（2025）。DOI: 10.1038/s41377-025-02055-x
期刊信息： 光：科学与应用
由亚利桑那大学提供
