通信网络通过物理链路中的信号进行信息交流与传递。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，在这样的数字光脉冲流中，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。

信号沿着传输信道传播会变得越来越弱，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微弱信号的能力极限。

微弱信号检测是一门重要的新兴技术学科，应用范围遍及到光、电、磁、声等的应用领域，如何提高信号检测能力以增强通信网络性能，而且在检测微弱信号时避免出错，这是现代通信系统中的一个重要课题。

美国国家标准技术研究院的研究人员设计出了一种系统，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，而且大大减少网络所需的能源总量。

该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的许多数据。

联合量子研究所物理学家伊万·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。”“我们的研究表明，量子测量对电信是相当宝贵的，具有前所未有的优势，从而带来了信道带宽和能源效率的革命性改进。”

信号脉冲会逐渐减弱，直到变得弱到只有几个光子，甚至平均少于一个光子。不可避免的随机量子波动使基于经典物理学的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，为此付出相当大的能源成本，以使它们足够强以可靠地予以检测。

该新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：“传输一个比特所需的总能量是网络发展的根本标志，”美国国家标准技术研究院高级科学家谢尔盖·波利亚科夫说，“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，以可靠地在更长距离上传输信息。我们的工作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。根据最初准备传输的方式，单个激光脉冲可以承载多位数据。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。该量子系统使用多达16个不同的激光脉冲来编码多达处理4位。

为了证明这种能力，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（光子是完整粒子，平均数量少于一个简单表示某些脉冲不包含光子）。

在准备好输入信号后，研究人员利用了其例如干扰的波状特性，直到它最终以光粒子的形式撞击探测器。在量子物理学领域，光可以充当粒子或波，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，该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。

如图所示进入的信号（红色，左下）通过分束器到达光子检测器，该检测器具有一个附加的时间寄存器（右上）。接收器将参考光束发送到分束器以消除入射脉冲，从而不会检测到光。如果甚至检测到只有一个光子，则意味着接收器使用了不正确的参考光束，需要对其进行调整。接收器使用光子检测的准确时间以较少的概率预测来进行正确的调整。记录的检测时间和参考光束频率的历史记录的组合用于查找输入信号的频率。

研究人员解释说：“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光子检测的程度。

“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。在开始时确定性可能很低，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，并且使用正确的参考测量信号的时间越长，对信号结果的信心就越大。”

研究人员指出：“未来的互联网通信以指数级增长，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。”

该最新研究结果发表在最近的《物理评论X》的“量子专刊”中。

参考：Time-ResolvingQuantumMeasurementEnablesEnergy-Efficient,Large-AlphabetCommunication,PRXQuantum.DOI:10./PRXQuantum.1.