米乐m6中国官方网站 建立量子通信安全性和量子计算可靠性的“光子量尺”

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部上井武志研究助理（研究时）、福田大治首席研究员、量子与人工智能融合技术（G-QuAT）全球商业发展研究中心首席研究员鹤田哲也研究员光通信中使用的1530 nm至1565 nm波长带C 波段的波长带中的波长，并且其输出可以在单光子单元中精确控制。

光子是光（电磁波）的最小单位，与电子和夸克一样是基本粒子之一。通过精确控制这些光子，有望实现量子通信、量子计算机等尖端信息通信技术。为了实现这一目标，需要精确检测单光子单元中用于光通信的波长带中的弱光。然而，如何正确评估光子探测器可以在整个 C 波段准确测量的光源输出的光子比例一直是一个尚未解决的问题。这是因为，为了评估光子探测器与波长相关的性能，没有可靠的光源或波长可调的“光子量尺”可以用光通信波长带内任何波长的光子数量准确地照亮光子探测器。

在本研究中，激光功率国家标准中开发可追踪的波长可调谐光源（标准量子光源）该技术不仅可以确保光学传感器在特定波长下的可靠性，而且可以在整个C波段上保证与激光功率国家标准相同的精度水平。量子加密通信的安全性以及光学量子计算机的准确性。

此研究结果的详细信息将于 2025 年 7 月 25 日发布。光学和激光技术

量子技术有望极大地改变我们的生活和社会。其中，使用光子（光的最小单位）的应用正在吸引世界各地研究和工业界的关注。例如，据说理论上不可能窃听的量子密码通信，就是利用“光子无法进一步分裂”的特性来实现安全通信的技术。此外，利用光子的量子行为高速执行复杂计算的光量子计算机也正在开发实用化。然而，为了使这些量子技术在社会中广泛应用，必须正确处理光子并准确测量有多少光子从光源到达探测器。然而，由于光子的能量极低，评估光子探测器的探测性能极其困难，迄今为止，这种评估只能在光通信中使用的 C 波段（1530 nm 至 1565 nm）内非常有限的波长下进行。波长复用加速量子密码通信，或者使用光量子计算机扩展并行量子计算，有必要评估整个C波段光子探测器的性能。

AIST 开发了高灵敏度光子探测技术，并开发了量子信息通信技术以实现大容量通信以及终极灵敏度的生物成像（2017 年 4 月 5 日 AIST 新闻稿)。这次，为了加速光量子计算机等设备所需的光子数测量技术的开发，我们致力于开发可控制输出光子数的光源的高精度评估技术。

这项开发研究基于日本科学技术振兴机构的 Moonshot R&D 项目。目标6“容错大型通用光量子计算机（JPMJMS2064）的研究和开发”（2020-2025财年），内阁府战略创新创造计划（SIP）的研究主题之一“促进先进量子技术基础设施在社会问题上的应用”（研究促进公司：QST）“计算机/传感器硬件组件测试平台的构建” （2023-2027 财年），内阁府桥接研究开发与社会 50 计划（BRIDGE）“商用光量子计算机的构建”（2024-2026 财年），日本学术振兴会科学研究补助金 24K01374。

·准确计算光子数量

量子密码学和光学量子计算机等技术使用光子进行操作。为了安全、准确地实现这些技术，必须精确测量有多少光子从光源到达探测器。例如，如果我们错误判断一个或两个光子是否到达，量子密码通信的安全性和量子计算的准确性可能会受到损害。因此，需要一种检测光子的设备，即单光子探测器是啊光子数鉴别器的性能特别重要的是被称为“检测效率（=检测量/事件量）”的性能指标。这表明当光子到达探测器时，它被捕获而不会被遗漏的概率。然而，准确测量这种检测效率并不容易。这是因为“准备准确数量的光子”作为测量标准是极其困难的。如果入射光子的数量不明确，就不能说探测器的性能得到了正确的测量。
 

·如何制作“光子量尺”

如果我们能够按照国家标准明确定义光源发出多少光子，就可以评估探测器的性能。可以说，这个光源变成了“光子的衡量标准”。然而，这并不容易实现，因为单个光子的能量极其微弱，难以精确测量。特别是，诸如光子数鉴别器之类的探测器不仅可以检测单个光子的存在或不存在，还可以检测单个光子的存在或不存在。脉冲光中包含的平均光子数必须严格确定。此外，为了评估探测器在整个 C 波段的性能，需要波长可调光源。
 

·本研究取得了什么成果

在这项研究中，我们创造了一种可以称为“标准量子光源”的光源，它满足这些条件。基础光源是可调谐连续波激光器，可以在光通信波段内高精度调节波长，使其兼容整个C波段。该激光器极其稳定，使其成为产生信号的理想光源。使用声光调制器 (AOM) 将连续波光转换为脉冲光。声光调制器可以高速反复阻挡和通过光，产生持续时间极其精确的光脉冲。然后，该脉冲光的输出被衰减器缩小，衰减量等于激光功率。特定标准设备陷阱型探测器确定这使我们能够确定光的能量含量，即平均光子数，它准确地告诉我们它平均包含多少个光子连贯
 

·根据可追溯的国家标准评估探测器性能

实际上由 AIST 使用此标准量子光源开发的光子探测器 (超导转变边缘传感器：TES，图2）的性能时，我们证明可以在1510 nm到1570 nm的整个范围内评估检测效率，涵盖C波段及以上（图1右下）。检测效率评估的准确度是在所有波长下每10 nm相对扩大的不确定性达到 15% 或更低。这与近年来海外多个国家计量机构报道的一般单光子探测器探测效率评估中18%的相对扩展不确定度相比，可以说处于较高水平。^*。

这项研究创造了一种量子光源，可以精确定义整个C波段（光通信波段）的光子数量，并基于此，严格评估光子探测器的性能成为可能。这意味着现在可以测量广泛波长范围内的光子，而不仅仅是特定波长，并且可追溯到国家标准。

此类宽带测量能力将成为量子密码通信和光量子计算机等尖端技术发展日益重要的基础。例如，对于光学量子计算机至关重要挤压光尽管光源通常仅使用一种波长，但它们实际上会产生多种波长的光子，其中许多波长目前尚未使用。如果我们能够精确测量这些未使用的波长，就可以通过波长复用进行并行处理并扩展量子计算。此外，由于时间短脉冲包含多种波长成分，因此能够检测多种波长的检测器对于更快的信号测量至关重要。未来，该技术将在高速算术处理中发挥重要作用。未来，我们将加快更多结合量子密码通信和光量子计算机的实用化开发，构建支撑未来量子社会的测量技术基础。

已出版的杂志：光学和激光技术
论文标题：C 波段波长下过渡边缘传感器检测效率的评估
作者：Takeshi Jodoi、Tetsuya Tsuruta、Mauro Rajteri 和 Daiji Fukuda
DOI：https://doiorg/101016/joptlastec2025113414

C 波段

指1530 nm至1565 nm的波长带，主要用于光通信。由于它在光纤中具有最低的光损耗，因此被广泛用于长距离、高速通信。最实用的波段之一，发挥着互联网和量子通信的核心作用。[返回来源]

国家标准

国家标准是一个国家维护的最准确的测量标准，是一切测量的基础。为了保证测量仪器和测量值的可靠性，需要这些最终能够追溯到国家标准。以这种方式将测量结果与国家标准挂钩的状态被称为“可追溯至国家标准”。[返回来源]

量子加密通信

一种利用光子的量子特性（光子无法进一步分离）的技术，一旦被观察到，它们的状态就会发生变化，从而进行理论上不可能窃听的通信。由于可以检测到发送器和接收器之间的任何外部干扰，因此保证了极高的安全性。[返回来源]

波长复用

一种通过同一光纤使用不同波长的光同时传输多个信号的技术。它对于高速、大容量通信来说是必不可少的，它使用在通信波长带（C 波段）内精细划分的波长。[返回来源]

单光子探测器/光子数鉴别器

单光子探测器是一种可以探测单个光子的探测器，并且结构紧凑，可以在室温下工作，因此非常便携。光子数鉴别器需要极低的温度环境才能工作，并且体积往往很大，但它是一种不仅可以检测光子是否存在，还可以测量光子数量的探测器。两者在处理极弱光的尖端量子技术中都发挥着重要作用。[返回来源]

脉冲光

一种不连续发光、仅短时间发光的灯。时间宽度越短，包含的波长成分越宽，因此用于高速数据通信和时间分辨测量。[返回来源]

特定标准设备

为了准确地测量和维护长度、质量、时间等各种物理量的单位，是政府根据测量法指定和管理的测量装置，AIST负责其维护和管理。以此标准为基础，保证所有测量仪器和测量结果均可溯源至国家标准。它是测量基础设施的基石，从根本上支持日本工业和科学测量的可靠性。[返回来源]

陷阱型探测器

一种高灵敏度光子探测器，其结构可吸收所有光，同时在内部反射光。由于它可以测量入射光的能量而不逃逸，因此具有很高的可靠性和准确性，可以作为国家标准。[返回来源]

连贯

波的相位和振幅一致且在时间和空间上稳定的光状态。与激光一样，它具有高相干性，这对于提高通信精度非常重要。[返回来源]

超导过渡边缘传感器

光子探测器之一。它称为 TES，是 Transition Edge Sensor 的缩写。 TES是一种利用从超导到常导转变过程中电阻的快速变化的温度计，它将光子的能量转化为热能，并测量由热引起的温升所产生的能量。由于它可以捕获单个光子的热量，因此它是一种可以测量多个光子的光子数鉴别器。[返回来源]

相对扩大的不确定性

测量结果总是存在误差，而“不确定度”是数值可能偏离真实值多少的定量表达。不确定度是评估测量可靠性的一个重要因素，是根据统计方法计算的。 “扩大的不确定性”是这种不确定性的覆盖因子k（通常k=2),k为 2，表示测量值存在于该范围内的概率约为 95%。扩展不确定度值与测量值的比值就是“相对扩展不确定度”。[返回来源]

挤压光

与普通光相比，处于特殊量子态的光仅抑制一个方向的波动（噪声）。光中存在量子涨落，但通过允许光的振幅或相位在一个方向上发生涨落，并将其他涨落压缩到较小水平，可以仅抑制一个方向上的量子涨落。它在量子密码通信和量子计算中发挥着重要作用。[返回来源]

^*洛佩兹，M等人. EPJ 量子技术. 7, 14 (2020).