德国研究所获突破性进展：量子通信和显微镜技术将彻底改变！

2021年已经到来，在过去的一年里，量子技术的相关研究取得了非常多的成果。这个月的前几天，中科大的团队也发布了一批新的进展，包括天地一体化通信网络和量子精密测量等。这些内容还没有来得及成为旧闻，Fraunhofer IOF研究所就发布了量子技术相关的新闻稿，宣告他们在量子通信和显微镜领域取得了领先成就。

这个研究机构位于德国耶拿，它的中文名为弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所，是以德国科学家约瑟夫·弗劳恩霍夫的名字命名的。它成立于1992年，隶属于弗劳恩霍夫协会，专门研究量子技术，并一直在通信和显微镜领域取得令人瞩目的成就。

Fraunhofer IOF研究所称他们将在下周拉斯维加斯举行的全球消费电子展（CES 2021 ALL-DIGITAL）的数字展台上，为访客展示这些来自量子世界的领先技术。

之前我们曾多次提过，量子是参与相互作用的物理实体的最小单元，也就是说，一个物理性质的大小被量化时，用的是一个量子整数倍组成的离散值来描述。

这个“量子”本身是多种能量的单元，但在目前的很多实验中，是指光量子。光量子很小，但科学家们认为它有极其巨大的生命潜力。Fraunhofer IOF研究所的科学家相信量子物理学不仅拥有高度安全的通信潜力，也将会为显微镜检查方法做出贡献。

在这一次消费电子展（CES 2021）上，Fraunhofer IOF研究所将展示的内容就是量子通信技术和量子成像技术。

量子通信技术：全新加密方法

数字时代的通信技术，已经没有想象中那么安全，在2020年就发生过几起震惊全球的的黑客入侵政府网络或者在科技公司网站上读取敏感数据的大事件，所以数据安全领域的研究迫在眉睫。研究量子通信也是因为科学家们相信它可以让数据得到更好的加密保护。

Fraunhofer IOF研究所目前正在开发的新型加密技术称为“量子密钥分发”（QKD）。这个技术中，当使用纠缠光子交换生成的密钥发送和接收需要交换的数据时，将对它们进行加密和解密。由于是基于发送者和接收者的光量子纠缠，故而这种密钥在物理上特别安全。

这家研究所先是开发了纠缠光子源（EPS），随后在EPS中，采用Sagnac干涉仪方案从两侧泵入非线性，周期性极化的晶体，从而生成了纠缠光子对。这个光子对可以作为生成量子密钥的基础。

通过这个纠缠光子对，位于不同位置的两个光量子在一定范围内无视距离远近，可以共享或者传递编码信息。

这项技术是Fraunhofer IOF研究所在三年前开发的，这期间得到了多方面的改善与增强，是量子通信新方法的核心元素，也是量子通信中最强大的硬件解决方案之一。

量子成像技术：显微镜检查

生物学中，由于活体样本对某些类型的光辐射敏感，导致无法深入检查，因此很多问题一直悬而未决。详细一点地说，就是某些波长范围内的强辐射，可能会对样品造成不可逆转的损坏。但如果想获取有关这些样品内部结构的基本信息，又需要用到这些特定波长来研究。

这个死循环困扰了很多科学家，Fraunhofer IOF研究所便基于此做了研究，声称新的显微镜技术解决了这个冲突。他们在量子成像中，让激光束穿过非线性晶体，随后以这种方式，以一定的概率生成相关的光子对。

之后，使用具有独立且不同的波长的纠缠光子对，将两种不同的波长用于样品分析：其中一种经过优化，提供对样品的深入了解，同时以无害于生命力的强度暴露样品；另一个光子则在检测器上用于评估，以自动读取的方式选择波长。

通过量子纠缠原理，Fraunhofer IOF研究所称他们获得了两个光量子中交换的信息。因此，在检测器位置用于评估的光量子不会与样品相互作用。样品无需暴露在有害强度的光辐射下，也就防止了它的损坏。

这个原理听起来似乎是可行的，但具体试验情况却不得而知。Fraunhofer IOF说他们正在努力将这一基本原理转化为实际应用，也将在CES 2021上，介绍量子成像方法以及这个方法在生物学和医学领域的应用潜力。