Light | 阿秒量子不确定性动态调控
在超快量子科学领域，超短脉冲压缩光的生成与量子调控对推动量子通信、量子计算等前沿技术发展具有重要意义。近日，美国亚利桑那大学Mohammed Th. Hassan团队展示了通过简并四波混频过程生成紫外至近红外波段超短压缩光，并实现量子不确定性动态调控。该研究实现了阿秒分辨率下超快压缩光波形的合成与操控，为超快量子光学研究提供了关键技术支撑。研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light：Science & Applications》，题为“Attosecond quantum uncertainty dynamics and ultrafast squeezed light for quantum communication ”，第一作者为Mohamed Sennary，通讯作者为 Mohammed Th. Hassan。
研究背景
量子光学中压缩光的生成与应用已推动引力波探测等领域发展，同时阿秒物理与超快科学借助飞秒激光等工具在光与物质相互作用研究中取得突破。然而，现有研究多集中于连续波激光压缩光或经典光驱动的超快过程，对于如何将压缩光拓展至超快领域，生成兼具超短脉冲特性与可控量子态的光场，尚未形成有效方案。
尽管已有研究探索了压缩光在高次谐波生成等过程中的作用，但超快非线性光学中压缩光驱动的光与物质相互作用规律尚不明确，且缺乏适用于超短脉冲压缩光的精准表征方法，同时传统量子通信在速率与安全性的协同提升上仍存在瓶颈，这些问题限制了超快量子科学及相关技术的发展。
创新研究
研究团队创新性地通过简并四波混频非线性过程，在紫外、可见及近红外光谱范围生成了飞秒级超短压缩光脉冲（如图1示意）。利用光场合成器将超连续谱分为三个光谱通道，经调控后聚焦于二氧化硅靶材产生压缩光，并通过改变相位匹配条件实现振幅与相位压缩的切换。这一成果突破了传统连续波激光压缩光的局限，首次实现多光谱范围超短脉冲压缩光的可控生成，为超快量子科学研究提供了关键工具。
图1：具有阿秒分辨率的超快压缩光脉冲的合成与生成。
研究人员开发了适用于超短脉冲压缩光的新型计量方法（如图2测量结果所示）。通过分割输入光束获得相干参考光与压缩光，利用光谱仪测量两者的光谱干涉以提取相位不确定性，同时通过强度方差分析获取振幅不确定性，并结合理论建模与维格纳函数分析验证压缩态特性。该方法解决了超短脉冲压缩光难以精确表征的问题，实现了对其量子特性的定量分析，为压缩光的应用奠定了测量基础。
图2：超快压缩光的相位和强度不确定性测量。
进一步地，研究团队提出基于超短压缩光的拍赫兹级安全量子通信协议（如图3协议示意）。利用光场合成器将数字数据编码到压缩光波形中，以近红外脉冲作为量子关联本地振荡器，通过动态调控延迟选择正交投影实现解码，并借助压缩光对窃听的敏感性及多重加密机制保障通信安全。该协议突破了传统连续变量量子密钥分发的速率限制，兼具高速与高安全性，为下一代量子通信网络提供了创新方案。
图3：拍赫兹级数字编码安全量子通信。
总结与展望
该研究通过简并四波混频过程成功生成紫外至近红外波段的超短压缩光脉冲，实现了阿秒分辨率下量子不确定性的动态调控，并开发了适用于超短脉冲压缩光的计量方法，同时提出基于该光场的拍赫兹级安全量子通信协议。实验与理论分析均验证了压缩光的量子态特性及调控机制，为超快量子科学与量子技术的融合搭建了关键桥梁。
未来可进一步优化光场合成器与非线性光学过程，提升压缩光的生成效率与传输稳定性，拓展其在量子计算、超快量子光谱学及空间量子通信等领域的应用；同时可探索压缩光与腔量子电动力学、量子自旋系统的结合，推动更多新型超快量子器件的研发，助力超快量子科学领域的持续突破。
论文信息
Sennary, M., Rivera-Dean, J., ElKabbash, M. et al. Attosecond quantum uncertainty dynamics and ultrafast squeezed light for quantum communication. Light Sci Appl 14, 350 (2025).
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