基于量子力学原理的技术在过去十年中得到了长足发展。远距离安全量子信息传输技术的发展有赖于强大的量子通信网络。光放大技术通过增强微弱的量子信号，同时保持其量子特性，在推动这些系统的发展方面发挥着关键作用。

相干性和纠缠性等量子特性是量子技术的核心。量子相干性是系统保持其量子态的能力，是量子力学的基础，源于叠加原理。这一原理允许量子粒子在被观测或测量之前同时存在于多种潜在状态。

利用现有的光纤通信基础设施是最大限度降低成本和使用成熟技术的常用方法。不断发展的太空产业拥有众多卫星星座，这也为通过卫星链路进行自由空间量子通信提供了机会。

量子通信成就

一些量子通信协议已经得到验证。例如，量子密钥分发是一个被广泛研究的量子协议，已经成功测试了从卫星到地面的 800 千米超低损耗光纤和 2000 千米开放空间。

量子远距传 输利用量子纠缠以高度安全的方式传递信息，也引起了人们的极大兴趣。通过实现量子设备之间的连接，量子远距传输支持创建量子网络，从而实现经典系统无法实现的功能。

量子通信的挑战

虽然已经取得了重大进展，但将量子通信系统扩展为完全稳健的网络仍面临各种挑战。

传统量子通信系统通常使用分立光学器件。这些器件依靠玻璃或晶体等元件独立组装，并通过光纤或开放空间连接起来。长期以来，互联和封装的可靠性和成本一直是光学设计面临的挑战，而当量子网络要连接成千上万的用户时，这些问题就会被放大。

量子通信需要超低损耗、高效率和高保真技术?；岛腿任榷ㄐ远杂诩跎倩肪巢ǘ斐傻目占浜拖辔黄钪凉刂匾?/span>

与传统通信系统中的放大器再生信号不同，在保持相干性的同时放大量子信号要复杂得多。信号再生会引入噪声，破坏量子态的相干性，因此不适合量子系统。

量子中继器通过在相互连接的量子节点上充当相干保存记忆系统来解决这一问题。光放大可以增加光子的平均数量，在许多量子通信协议中都很重要。然而，要使放大在量子系统中有效，必须保持相干性并避免引入额外噪声。

光放大技术

光参量放大

光参量放大（OPA）是一种非线性光学过程，其中泵浦光束与非线性晶体相互作用，从而放大光信号。

该机制涉及一个三波混合过程，当泵浦光束在晶体内失去能量时，会产生低频信号光子和高频惰光子。这一过程对于放大携带量子信息的微弱信号非常有效，而且不会引入噪声。

有效的 OPA 需要相位匹配，以便在相互作用过程中保持动量和能量守恒。温度调节、角度调节和准相位匹配等技术通常用于实现这一目标。

OPA 具有波长可调的多功能性，因为非线性晶体和泵浦波长的特性可以调整，以满足特定要求。这种灵活性使 OPA 成为量子通信信号放大的重要工具。

受激拉曼散射

受激拉曼散射（SRS）是另一种放大光子信号的相干保留技术。当入射光子与材料中的分子振动相互作用时，会产生散射效应，从而放大信号。

这一过程涉及一束泵浦光束和一束斯托克斯光束，光束之间的能量差与目标分子的振动频率相匹配。

在 SRS 过程中，分子从泵浦光束中吸收一个光子，将其激发到一个虚拟能态。当分子弛豫到较低的振动状态时，会发射出斯托克斯位移光子。根据相互作用的不同，可能会发生能量较高的反斯托克斯散射或能量较低的斯托克斯散射。

泵浦光束和斯托克斯光束会显著增强这一受激过程，从而发射出与入射光子频率相同的额外光子。这种相干放大使 SRS 非常适合传输量子信号，同时保持其完整性。

新兴材料

原子级超薄二维材料具有独特的光学和电学特性，是量子通信应用的理想候选材料。

石墨烯、过渡金属二卤化物（TMDCs）和六方氮化硼（h-BN）等材料具有可调带隙、增强的光物质相互作用和大载流子迁移率等特性?？啥哉庑┨匦越卸ㄖ?，以发射理想的波长，从而实现与现有通信基础设施的高效耦合。

通过将二维材料集成到量子放大器中，可以实现支持量子通信系统的高效率、低损耗放大。这些材料的适应性增强了它们在先进光学系统中广泛应用的潜力。

未来展望

量子通信利用量子力学原理推进了安全数据传输、传感和计量。然而，量子节点之间光子传输过程中的损耗和退相干等挑战仍然是重大障碍。OPA 和 SRS 等光学放大技术可以在不引入噪声的情况下保持相干性，对于解决这些问题至关重要。

随着量子通信系统的扩展，这些技术将在构建强大的量子网络中发挥关键作用。对新兴材料和放大方法的研究旨在提高量子通信的能力，为安全高效的信息传输提供支持。

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  OV01A10

  型号：OV01A10

  厂家：OmniVision Technologies

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