北京大學 王樹峰 編譯自 Mark Buckanan. Physics，March 6，2026

本文選自《物理》2026年第5期

研究者對光纖中的單個光子實現了頻率和譜寬的調控，這對未來的量子網絡具有重要意義。

未來的量子科技需要能夠調整單光子頻率和譜寬的可實用技術，以便針對不同用途進行優化，同時保持其所攜帶的精確量子信息。如今，研究人員通過技術改進，已能在一小段標準光纖內大范圍調控這兩個屬性。他們期待這項技術比現有方案更加實用且高效，并有望作為接口設備，廣泛應用于未來的量子計算與通信網絡。

光子塑形過程。一個紅色光子與一個泵浦脈沖(橙色)共同從左側進入光纖，出射時頻率紅移，光譜變寬(多色)

光子很可能成為未來量子網絡信息傳輸的媒介，但為了讓光子能夠適應多種任務，研究人員需要經常性地改變其屬性。例如，一種囚禁離子的量子存儲器會以特定的可見光波長發射或吸收光子，且譜寬極窄，因此與之相互作用的光子必須制備成相對較長的光脈沖。相比之下，高速光纖信道則更適合使用譜寬更寬的紅外光子，這要求光脈沖更短。

加拿大國家研究委員會的Frédéric Bouchard表示，用于彌合這些差異的技術(例如基于晶體的頻率轉換)通常會導致顯著的信號損失，因為只有小部分入射光子得以轉換。這些方法還會引入噪聲，進而可能破壞光子的量子態。

研究人員一直在開發一種基于全光的，稱為交叉相位調制(XPM)的替代技術。它利用強“泵浦”激光脈沖在光纖中產生短暫的折射率變化，緊鄰該脈沖傳播的光子會經歷時間依賴的折射率變化，使其傳播速度改變，進而壓縮或拉伸光子波包。然而，在以往的研究中，實現這一調制需要特殊的光子晶體光纖，且頻率變化幅度過小，無法應用于實際量子網絡。此外，此前的這些方案無法獨立改變譜寬和頻率。

Bouchard及其同事將XPM的能力顯著擴展，實現了比以往大10倍的頻率偏移。他們的技術采用更短的光纖段，并且適用于常見的單模光纖。裝置包含前后兩個交叉相位調制的部分，一個用于頻率偏移，另一個用于譜寬調整，從而在獨立調整光子某一屬性方面具有更大靈活性。新設計還顯著降低了噪聲，因此能夠保留光子所攜帶的量子信息。

他們使用了一段15 cm長的光纖，將一個波長為1550 nm(標準電信波長)的光子送入該光纖，并精確控制其到達時間，使其落在寬度為180 fs、波長為1035 nm的強泵浦脈沖的前沿或后沿。與泵浦脈沖前沿重合的光子，其頻率會發生紅移，這是因為折射率的逐漸增加會減慢并拉伸光子的波包；而位于脈沖后沿的光子則因折射率逐漸降低的相反效應而發生頻率藍移。

通常，不同波長的兩個脈沖在光纖中傳播時速度略有差異，這限制了它們的相互作用時間。Bouchard等人通過結合光纖特性、波長選擇與脈沖寬度，使泵浦脈沖和光子能夠比以往實驗更長時間地一同傳播。最終，研究人員實現了高達6.42 THz的頻率藍移和5.82 THz的紅移，這約為以往實驗結果的10倍。

為了控制光子的譜寬，研究者增加了第二個XPM階段，并使用另外的泵浦脈沖。在此階段，光子會經歷折射率先增加后減少的過程，或者先減少后增加的過程。與泵浦脈沖峰值重合的光子，其譜寬會減小；而出現在兩個泵浦脈沖之間重疊的低谷處的光子，譜寬則會增加。實驗證明，他們能夠將光子的譜寬壓縮至原來的0.76倍，或展寬至原來的7.1倍。研究團隊還測量了光束的二階相關函數，以確認輸出光仍為純單光子，且其量子信息保持完好。

紐約羅切斯特大學的量子光學專家Robert Boyd表示，這種新方法“可視為一種改變單光子頻率和譜寬的巧妙方式”，以及“它可能在量子通信及其他量子技術中實現多種應用”。

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