Science Advances更新|量子和相干信号在单一频率通道上的传输：锯齿波技术

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简介
) o9 M8 |6 ?/ S9 ]在快速发展的量子通信领域，研究人员不断寻求创新方法，将量子信息整合到现有的光纤网络中。Rübeling等人最近提出的一种新型收发器概念，实现了量子和经典信号在单一频率通道上的传输[1]。本文探讨这项技术的原理及其对量子网络未来的潜在影响。

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0 t) Z! k( \- I/ }+ e锯齿波技术：简要概述锯齿波技术是频率转换方法，通过应用线性时间相位斜坡来移动光脉冲的频谱。这种方法已在声光、光机械、电光和全光系统等各种平台上得到了展示。对于电信应用而言，电光相位调制特别适用，因为允许进行与密集波长分复用（DWDM）技术信道间隔相兼容的频谱转换。

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图1 说明了锯齿波收发器的工作原理。这项创新的关键在于利用量子和相干信号相对于用于调制的射频（RF）波形的不同时间特性。量子信号与相干信号：不同的动态特性研究人员发现，频率纠缠光子和相干激光脉冲在应用锯齿波技术时表现出明显不同的行为。这种差异源于它们不同的时间相干性：1.频率纠缠光子：这些量子信号相对于RF波形具有随机到达时间，这是由于它们在自发参量下转换（SPDC）过程中的产生机制。
9 `" v; W6 K8 k4 E$ C2.相干激光脉冲：这些经典信号与RF波形具有固定的时间关系，允许进行精确的频谱转换。

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2 G$ }9 V# ?( D" A) m图2展示了锯齿波动态中涉及的时间和频率尺度，适用于两种类型的信号。这一根本差异使得量子和经典信息能够在单一频率通道上进行时分复用。实验设置和结果研究人员开发了复杂的实验设置来演示锯齿波收发器概念。以下是关键组件和发现：1. 信号准备：相干脉冲：从锁模飞秒激光器中过滤出
频率纠缠光子：通过周期性极化铌酸锂波导中的SPDC产生
/ s8 `' |" o. W, R) G( z6 w( d2. 频谱分析：用于量子信号的带同步的单光子光谱仪
( [& K+ B5 h1 R/ t7 D同样的光谱仪用于相干脉冲
3. RF波形优化：最初使用正弦波形进行测试
( f+ W4 R3 r2 Z+ u后来优化为脉冲线性相位斜坡，以提高性能

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图3展示了在不同RF波形条件下观察到的相干脉冲和频率纠缠光子的频谱动态。脉冲RF波形在保持量子信号频谱分布的同时有效移动相干信号方面表现出色。混合传输演示为了证明概念的可行性，研究人员通过锯齿波收发器进行了量子和相干信号的混合传输。

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图4 量子和相干信号的混合传输图4展示了这种混合传输的结果，证明：1.成功在单一200 GHz通道上复用量子和相干信号
2 ^+ U, E1 _. f* j3 h2.发射器有效地移动了相干信号的频率
# G: E2 A9 R: Z) {7 T3 w8 V+ U) c/ O# u3.接收器对两种信号进行了出色的补偿和恢复
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保持量子纠缠任何量子通信系统的一个关键方面是其保持纠缠的能力。研究人员通过对收发器的输入和输出态进行量子态层析来验证这一点。
3 D) C, G9 c2 {, w1 o% x图4（D和E）中显示的结果确认锯齿波技术以高保真度保持了纠缠：输入态：相对于贝尔态的保真度为95.4%
% x6 f7 ]/ ~! V2 G7 H输出态：通过收发器传输后的保真度为89.6%
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5 q) A3 U( d. M0 j两种状态都违反了Clauser-Horne-Shimony-Holt（CHSH）参数边界，为整个传输过程中量子纠缠的保持提供了强有力的证据。
优势和未来展望锯齿波收发器概念为混合量子-经典网络的发展提供了几个显着优势：1.资源效率：通过在单一频率通道上实现量子和经典信号的传输，该方法将所需的光学带宽减少了一半。
0 g8 u$ x  w! I8 v# u: N9 B4 Z2.与现有基础设施兼容：该技术利用标准电信组件，使其可能易于与当前光纤网络集成。
3.可扩展性：该概念有潜力完全集成到光电子集成芯片上，为紧凑和可扩展的量子网络节点奠定基础。
4.灵活性：量子和经典通道的相对容量可以动态调整，以满足特定的网络需求。
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挑战和未来工作演示的锯齿波收发器显示出很大的潜力，但仍有一些挑战需要克服和未来研究的领域：1.增加频率移动：实现与ITU网格兼容的完整200 GHz移动将需要更高功率的RF放大器或更低半波电压的电光相位调制器。
1 Z7 A- K. ~! y2.长距离传输：目前的演示仅限于短光纤长度。研究该技术在更长距离上的性能对实际应用重要。
" M: N2 ^$ C* H% O3.集成和微型化：探索锯齿波收发器组件全面芯片集成的潜力。
2 \; o" X. ^; Z  @, o4.多通道操作：扩展该概念以同时处理多个频率通道。

( [0 i$ g- g% ^$ ?结论Rübeling等人提出的锯齿波收发器概念代表了资源高效的混合量子-经典网络发展的重要进步。通过利用量子和相干信号的不同时间特性，这种方法使两种类型的信息能够在单一频率通道上共存。随着这一领域研究的进展，我们可以预期进一步的改进和创新，这将更接近实现与现有电信基础设施集成的大规模实用量子网络。
0 O& z! N" L! @3 L# m# Q7 M参考文献[1]P. Rübeling, J. Heine, R. Johanning, and M. Kues, "Quantum and coherent signal transmission on a single-frequency channel via the electro-optic serrodyne technique," Science Advances, vol. 10, no. 30, p. eadn8907, Jul. 2024, doi: 10.1126/sciadv.adn8907.

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