您现在的位置是:首页 > 科学网站首页科学

新系统使用量子物理学原理检测微弱的通信信号

  • 科学
  • 2020-09-25 08:33:22
  • 来源:

美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员已经设计并演示了一种系统,该系统可以显着提高通信网络的性能,同时在检测最微弱的信号时实现创纪录的低错误率,从而有可能减少所需的能源总量对于最先进的网络,其系数是10到100。

原理证明系统由新颖的接收器和相应的信号处理技术组成,与当今网络中使用的方法不同,该技术完全基于量子物理学的特性,因此甚至能够处理带有脉冲的极弱信号许多数据。

联合量子研究所的物理学家伊万·布伦科夫说:“我们使用现成的组件构建了通信测试台,以证明可以进行量子测量的通信有可能扩大到广泛的商业用途。” NIST和马里兰Letou。Burenkov和他的同事在Physical Review X Quantum中报告了结果。“我们的努力表明,量子测量对电信而言还有其他宝贵的,前所未有的优势,从而带来了信道带宽和能效方面的革命性改进。”

现代通信系统通过将信息转换成激光产生的数字光脉冲流来工作,在该数字光脉冲流中,信息以光波属性的变化形式进行编码,以进行传输,然后在到达接收器时进行解码。脉冲序列随着其沿着传输信道传播而变得越来越微弱,并且用于接收和解码数据的常规电子技术已经达到了其精确检测这种衰减信号中的信息的能力极限。

信号脉冲会逐渐减弱,直到它变得弱到只有几个光子,甚至平均少于一个。那时,不可避免的随机量子波动(称为“散粒噪声”)使正常(相对于量子而言,“经典”)技术无法准确接收信号,因为由噪声引起的不确定性构成了衰减信号的很大一部分。结果,现有系统必须沿传输线重复放大信号,并且要付出相当大的能源成本,以使它们足够强以可靠地进行检测。

NIST团队的系统可以消除对放大器的需求,因为它可以可靠地处理极其微弱的信号脉冲:“传输一位所需的总能量成为阻碍网络发展的根本因素,” NIST的高级科学家谢尔盖·波利亚科夫(Sergey Polyakov)说球队。“目标是减少激光器,放大器,探测器和支持设备所需的能量总和,以可靠地在更长的距离上传输信息。在我们的工作中,我们证明了借助量子测量,即使微弱的激光脉冲也可以用于传达多点信息,这是朝着这个目标迈出的必要一步。”

为了提高信息传输的速度,网络研究人员正在寻找通过使用光波的其他属性对每个脉冲编码更多信息的方法。因此,单个激光脉冲可以传输多位数据,具体取决于最初准备传输的方式。为了提高检测精度,可以将量子增强型接收器安装到经典网络系统上。迄今为止,这些混合组合每个脉冲最多可以处理两位。NIST量子系统最多使用16个不同的激光脉冲来编码多达4位。

为了证明这种能力,NIST研究人员创建了与弱衰减的常规网络信号相当的微弱激光脉冲输入,每个脉冲的平均光子数为0.5到20(尽管光子是完整粒子,数量少于一个,简单地表示某些脉冲不包含光子)。

在准备好此输入信号之后,NIST研究人员便利用了其波状特性(例如干扰),直到它最终以光子(粒子)的形式撞击检测器。在量子物理学领域,光可以充当粒子(光子)或波,具有诸如频率和相位(波峰的相对位置)之类的属性。

在接收器内部,输入信号的脉冲序列与单独的可调参考激光束结合(干扰),该参考激光束控制合成光流的频率和相位。在这样的微弱信号中,读取不同的编码状态非常困难。因此,NIST系统旨在通过尝试使参考激光的特性与之完全匹配来测量整个信号脉冲的特性。研究人员通过一系列连续的信号测量来实现这一点,每次测量都增加了精确匹配的可能性。

这是通过调整参考脉冲的频率和相位来完成的,以便当它们在分束器处合并时,对信号产生破坏性干扰,从而完全消除信号,从而无法检测到光子。在此方案中,散粒噪声不是一个因素:完全消除没有不确定性。

因此,与直觉相反,完美精确的测量结果不会导致光子到达检测器。如果参考脉冲的频率错误,则光子可以到达检测器。接收器使用该光子检测的时间来预测最可能的信号频率,并相应地调整参考脉冲的频率。如果该预测仍然不正确,则基于两个光子检测时间,下一个光子的检测时间将导致更准确的预测,依此类推。

Burenkov说:“一旦信号与参考光束发生相互作用,检测到光子的概率就会随时间变化,因此,光子检测时间包含有关输入状态的信息。我们使用该信息来最大程度地提高在经过检测后正确猜测的机会。第一个光子检测。

“我们的通信协议旨在为信号和参考光的不同组合提供不同的时间轮廓。然后可以使用检测时间来确定输入状态之间的区别。确定性在开始时可能很低,但是我们希望在第一次光子检测后将参考脉冲切换到正确的状态,因为信号仅包含几个光子,并且我们使用正确的参考测量信号的时间越长,我们对信号的信心就越大。结果是。”

Polyakov讨论了可能的应用。他说:“互联网的未来指数级增长将要求通信背后的技术发生范式转变。” “量子测量可能成为这项新技术。我们证明了采用新型量子接收器和最佳编码协议的低误码率。我们的方法可以显着降低电信能耗。”

Top