山西大學(xué)團(tuán)隊攻克噪聲難題！千赫茲兆赫茲頻段明亮壓縮光成果登Nature子刊

    量子科技的突破，往往始于對“極限”的挑戰(zhàn)。在量子精密測量、量子信息處理等領(lǐng)域，一種名為“明亮壓縮光”的非經(jīng)典光場是關(guān)鍵核心——它能突破“標(biāo)準(zhǔn)量子極限（SNL）”，讓測量精度、信息傳輸安全性達(dá)到傳統(tǒng)光場無法企及的高度。但長期以來，自由運轉(zhuǎn)激光器產(chǎn)生的技術(shù)噪聲（尤其在兆赫茲頻段）像一道“攔路虎”，始終限制著明亮壓縮光的帶寬與質(zhì)量。

    近日，山西大學(xué)王亞軍、鄭耀輝團(tuán)隊給出了破局方案。他們的研究成果以“Brightsqueezedlightinthekilohertzfrequencyband”為題，于2025年9月8日發(fā)表在光學(xué)期刊頂刊《Light:Science&Applications》（Nature子刊，影響因子穩(wěn)居光學(xué)領(lǐng)域前列），為寬頻段明亮壓縮光的實用化掃清了關(guān)鍵障礙。

    核心困境：激光器噪聲困住“量子潛力”

    要理解這項研究的價值，首先要明確明亮壓縮光的“痛點”。

    作為非經(jīng)典光場的代表，明亮壓縮光的核心優(yōu)勢是“壓制量子漲落”——這讓它在量子計量（如引力波探測、精密光譜分析）、量子通信中不可或缺。但它的生成高度依賴激光器的穩(wěn)定性，而自由運轉(zhuǎn)激光器的技術(shù)噪聲（如功率波動、頻率漂移）會直接“污染”壓縮光場：在千赫茲頻段，噪聲相對容易控制；可一旦進(jìn)入兆赫茲頻段，噪聲強(qiáng)度會顯著上升，不僅會抵消壓縮光的非經(jīng)典特性，甚至導(dǎo)致壓縮光無法穩(wěn)定生成。

    此前的解決方案要么只能覆蓋窄頻段，要么噪聲抑制效果有限，始終無法實現(xiàn)“跨千赫茲兆赫茲頻段”的高質(zhì)量明亮壓縮光——這正是團(tuán)隊要攻克的核心難題。

    雙重突破：理論建模+混合技術(shù)，讓噪聲“無處遁形”

    針對兆赫茲頻段的噪聲瓶頸，團(tuán)隊從“理論”和“技術(shù)”兩端同時發(fā)力，構(gòu)建了一套完整的解決方案。

    1.理論基石：非經(jīng)典功率穩(wěn)定模型

    團(tuán)隊首先跳出傳統(tǒng)噪聲分析的框架，提出了非經(jīng)典功率穩(wěn)定理論模型。與以往只關(guān)注“經(jīng)典噪聲”不同，這個模型首次將“非經(jīng)典光場自身的量子漲落”與“激光器的技術(shù)噪聲”結(jié)合分析，精準(zhǔn)定位了兆赫茲頻段噪聲的主導(dǎo)來源——比如激光器功率波動與壓縮光生成過程中非線性效應(yīng)的耦合干擾，為后續(xù)的噪聲抑制提供了清晰的理論指導(dǎo)。

    2.技術(shù)創(chuàng)新：混合式噪聲“雙抑制”

    基于理論模型，團(tuán)隊設(shè)計了“寬帶被動+非經(jīng)典主動”的混合式功率噪聲抑制技術(shù)，相當(dāng)于給激光器裝上了“雙層降噪濾鏡”：

    寬帶被動穩(wěn)定：通過光學(xué)干涉、諧波產(chǎn)生（SHG）等被動手段，先“粗濾”寬頻段內(nèi)的大部分低頻噪聲（覆蓋千赫茲至兆赫茲），解決了單一主動穩(wěn)定技術(shù)帶寬不足的問題；

    非經(jīng)典主動穩(wěn)定：再利用非經(jīng)典光場的量子特性，對殘留的高頻噪聲（尤其是兆赫茲頻段的頑固噪聲）進(jìn)行“精修”，通過實時反饋調(diào)節(jié)，進(jìn)一步壓制噪聲。

    這套組合技術(shù)的效果十分顯著：不僅將反饋帶寬成功擴(kuò)展至兆赫茲頻率，還實現(xiàn)了額外9dB的技術(shù)噪聲抑制（注：dB為對數(shù)單位，9dB意味著噪聲功率降低約8倍），從根本上解決了寬頻段噪聲的干擾問題。

    實驗驗證：1mW功率、5.5dB壓縮量，數(shù)據(jù)匹配理論預(yù)測

    再好的理論與技術(shù)，都需要實驗來驗證。團(tuán)隊搭建了專門的實驗裝置（包含聲光調(diào)制器AOM、光學(xué)參量振蕩器OPO、平衡探測器等核心部件），最終實現(xiàn)了關(guān)鍵突破：

    生成的明亮壓縮光功率達(dá)1mW（滿足多數(shù)量子應(yīng)用的功率需求）；

    壓縮量達(dá)到5.5dB（壓縮量越負(fù)，非經(jīng)典特性越強(qiáng)，突破量子極限的能力越突出）；

    壓縮帶寬成功覆蓋千赫茲至兆赫茲頻段（填補(bǔ)了此前寬頻段壓縮光的技術(shù)空白）。

    更重要的是，實驗測量的噪聲曲線（如不同穩(wěn)定條件下的功率波動、壓縮光場的量子漲落）與理論模型的預(yù)測高度吻合——這不僅證明了理論與技術(shù)的正確性，更為后續(xù)的技術(shù)推廣和應(yīng)用提供了堅實的實驗依據(jù)。

    為何重要？為下一代量子技術(shù)“鋪路”

    山西大學(xué)團(tuán)隊的這項成果，不止是一次技術(shù)突破，更在量子科技領(lǐng)域具有多重意義：

    1.技術(shù)層面：打破寬頻段壓縮光的“天花板”

    此前，明亮壓縮光要么只能在千赫茲頻段實現(xiàn)高壓縮度，要么在兆赫茲頻段面臨噪聲失控——這項研究首次實現(xiàn)了“跨千赫茲兆赫茲頻段”的穩(wěn)定壓縮光生成，為寬帶非經(jīng)典光場的調(diào)控提供了可復(fù)制、可推廣的技術(shù)路徑。

    2.應(yīng)用層面：賦能量子計量與量子增強(qiáng)技術(shù)

    在量子計量領(lǐng)域（如原子鐘、引力波探測），寬頻段明亮壓縮光可大幅提升測量精度，幫助科學(xué)家捕捉到更微弱的物理信號；

    在下一代量子增強(qiáng)技術(shù)（如量子傳感、量子通信中繼）中，1mW的功率和寬頻段覆蓋能滿足實際應(yīng)用場景的需求，推動量子技術(shù)從“實驗室”走向“產(chǎn)業(yè)化”。

    3.學(xué)術(shù)層面：拓展非經(jīng)典光場調(diào)控的理論邊界

    團(tuán)隊提出的“非經(jīng)典功率穩(wěn)定理論模型”，首次將經(jīng)典技術(shù)噪聲與非經(jīng)典量子漲落納入統(tǒng)一分析框架，為后續(xù)非經(jīng)典光場的研究提供了新的理論視角，可能啟發(fā)更多相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新。

    從理論建模到技術(shù)實現(xiàn)，再到實驗驗證，山西大學(xué)團(tuán)隊的這項研究展現(xiàn)了我國在非經(jīng)典光場調(diào)控領(lǐng)域的深厚積累。隨著這項技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化——比如提升壓縮量、拓展更高頻率的帶寬、降低裝置成本——未來我們或許能在量子通信基站、精密測量儀器、量子傳感器等設(shè)備中，看到“山西造”明亮壓縮光技術(shù)的身影。

    對于量子科技而言，每一次對“噪聲”的壓制，都是向“量子極限”的又一次逼近。山西大學(xué)團(tuán)隊的突破，無疑為這條道路鋪上了一塊關(guān)鍵的“墊腳石”。