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为解决量子态易受噪声干扰、难以在实验室外部署的瓶颈问题，研究人员开展了“量子相干能量重分布”主题的研究，通过量子Talbot阵列照明器(qTAI)成功从强噪声中恢复并增强了时间-bin纠缠光子对的量子特性，将符合-偶然比(CAR)提升了一个数量级，并显著恢复了量子干涉可见度和保真度。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的工作为开发抗噪声量子架构奠定了基础，推动了量子技术在实际环境中的应用。
量子技术被誉为下一代信息革命的核心，但其实际应用一直面临严峻挑战——量子态极其脆弱，对损耗敏感、无法被放大且容易退相干，使得它们远比经典信号更容易受到噪声影响。这种脆弱性严重限制了量子优势在传感、通信和计算等领域的实际部署。特别是在量子通信中，纠缠光子对往往需要与经典数据流在同一条光纤中共传，或通过易受阳光干扰的自由空间信道传输，导致量子信号被淹没在噪声中，难以提取有效的量子信息。
为了突破这一瓶颈，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究提出了一种创新性的解决方案——量子相干能量重分布。该研究团队设计并实现了量子Talbot阵列照明器(qTAI)系统，专门用于从强噪声环境中恢复被破坏的量子态的非经典特性。
研究人员采用标准电信基础设施，在近红外波段（特别是电信C波段）开展了概念验证实验。他们利用硅氮化物微环谐振腔(MRR)中的自发四波混频(SFWM)过程产生时间-bin纠缠光子对，通过电光相位调制器和线性啁啾光纤布拉格光栅(LCFBG)分别实现时域和频域的相位操控。这种双阶段的相位变换能够将双光子的联合时间分布“聚焦”成短脉冲阵列，而背景噪声由于相干性较低无法被有效聚焦，从而通过后选择实现信号与噪声的有效分离。
研究团队首先在经典信号上验证了qTAI的能量重分布效果，测量到43倍的压缩因子，表明系统能够有效增强局部信噪比。随后在量子实验中，他们系统评估了qTAI对双光子态的多个关键指标的改善效果。
在噪声抑制方面，研究显示qTAI能够将符合-偶然比(CAR)从2.2显著提升至21.3，实现了9.6倍的改善。这一效果在不同平均光子数和噪声注入速率下均得到验证，表明qTAI具有广泛的适用性。更重要的是，研究人员证明了qTAI能够复活被噪声破坏的量子纠缠特性。在量子干涉实验中，输入态的可见度随噪声增加迅速下降至贝尔不等式阈值以下，而经过qTAI处理后，即使在高噪声环境下仍能保持足够的可见度，最大提升达49.3%。
通过量子态层析(QST)测量，研究进一步证实了qTAI对量子态的恢复能力。在注入200 kHz、9 GHz带宽的噪声后，输入态的保真度降至0.62，而经过qTAI处理后的输出态保真度保持在0.86，接近无噪声情况下的性能水平。这表明qTAI不仅能够提高检测信号的质量，还能实质性地恢复量子态本身的特性。
该研究的创新之处在于其普适性——qTAI不依赖于量子态的具体性质（单光子或任意维度的纠缠光子），且可在量子系统的任何阶段（传输路径、处理单元或检测端）实施，仅需极少的输入量子态或噪声信息。虽然当前实现受限于单光子探测器的时序抖动（约50 ps），但通过优化电光调制技术或结合非线性方法，有望实现更高的压缩因子和更广泛的适用场景。
研究人员在讨论部分指出，qTAI的插入损耗约为5.3 dB，通过组件优化可进一步降低至2 dB左右。更有前景的是，在实际光纤网络中，可以利用光纤本身提供的色散来替代专用色散元件，从而大幅降低系统复杂度和提高实用性。
这项研究的重要意义在于为量子技术在实际噪声环境中的部署提供了可行路径。通过相干能量重分布框架，不仅能够显著提升现有量子系统的性能，还为开发新型抗噪声量子信息处理架构奠定了基础。该技术有望加速量子通信、量子计算和量子传感等领域从实验室走向实际应用的进程，特别是在需要极端低噪声检测的基础研究如无漏洞贝尔测试等方面具有重要价值。
未来，这一框架还可扩展到纠缠光子对的其它重要功能开发，如高效光-物质相互作用、量子计算和量子态表征等，为量子信息科学的发展开辟新的可能性。随着相关技术的进一步成熟，量子相干能量重分布有望成为量子工程工具箱中的关键组件，推动量子技术真正走向实用化和规模化部署。
