德國研究所獲突破性進展：量子通信和顯微鏡技術將徹底改變！

2021年已經到來，在過去的一年裏，量子技術的相關研究取得了非常多的成果。這個月的前幾天，中科大的團隊也發佈了一批新的進展，包括天地一體化通信網絡和量子精密測量等。這些內容還沒有來得及成為舊聞，Fraunhofer IOF研究所就發佈了量子技術相關的新聞稿，宣告他們在量子通信和顯微鏡領域取得了領先成就。

這個研究機構位於德國耶拿，它的中文名為弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所，是以德國科學家約瑟夫·弗勞恩霍夫的名字命名的。它成立於1992年，隸屬於弗勞恩霍夫協會，專門研究量子技術，並一直在通信和顯微鏡領域取得令人矚目的成就。

Fraunhofer IOF研究所稱他們將在下週拉斯維加斯舉行的全球消費電子展（CES 2021 ALL-DIGITAL）的數字展台上，為訪客展示這些來自量子世界的領先技術。

之前我們曾多次提過，量子是參與相互作用的物理實體的最小單元，也就是説，一個物理性質的大小被量化時，用的是一個量子整數倍組成的離散值來描述。

這個“量子”本身是多種能量的單元，但在目前的很多實驗中，是指光量子。光量子很小，但科學家們認為它有極其巨大的生命潛力。Fraunhofer IOF研究所的科學家相信量子物理學不僅擁有高度安全的通信潛力，也將會為顯微鏡檢查方法做出貢獻。

在這一次消費電子展（CES 2021）上，Fraunhofer IOF研究所將展示的內容就是量子通信技術和量子成像技術。

量子通信技術：全新加密方法

數字時代的通信技術，已經沒有想象中那麼安全，在2020年就發生過幾起震驚全球的的黑客入侵政府網絡或者在科技公司網站上讀取敏感數據的大事件，所以數據安全領域的研究迫在眉睫。研究量子通信也是因為科學家們相信它可以讓數據得到更好的加密保護。

Fraunhofer IOF研究所目前正在開發的新型加密技術稱為“量子密鑰分發”（QKD）。這個技術中，當使用糾纏光子交換生成的密鑰發送和接收需要交換的數據時，將對它們進行加密和解密。由於是基於發送者和接收者的光量子糾纏，故而這種密鑰在物理上特別安全。

這家研究所先是開發了糾纏光子源（EPS），隨後在EPS中，採用Sagnac干涉儀方案從兩側泵入非線性，週期性極化的晶體，從而生成了糾纏光子對。這個光子對可以作為生成量子密鑰的基礎。

通過這個糾纏光子對，位於不同位置的兩個光量子在一定範圍內無視距離遠近，可以共享或者傳遞編碼信息。

這項技術是Fraunhofer IOF研究所在三年前開發的，這期間得到了多方面的改善與增強，是量子通信新方法的核心元素，也是量子通信中最強大的硬件解決方案之一。

量子成像技術：顯微鏡檢查

生物學中，由於活體樣本對某些類型的光輻射敏感，導致無法深入檢查，因此很多問題一直懸而未決。詳細一點地説，就是某些波長範圍內的強輻射，可能會對樣品造成不可逆轉的損壞。但如果想獲取有關這些樣品內部結構的基本信息，又需要用到這些特定波長來研究。

這個死循環困擾了很多科學家，Fraunhofer IOF研究所便基於此做了研究，聲稱新的顯微鏡技術解決了這個衝突。他們在量子成像中，讓激光束穿過非線性晶體，隨後以這種方式，以一定的概率生成相關的光子對。

之後，使用具有獨立且不同的波長的糾纏光子對，將兩種不同的波長用於樣品分析：其中一種經過優化，提供對樣品的深入瞭解，同時以無害於生命力的強度暴露樣品；另一個光子則在檢測器上用於評估，以自動讀取的方式選擇波長。

通過量子糾纏原理，Fraunhofer IOF研究所稱他們獲得了兩個光量子中交換的信息。因此，在檢測器位置用於評估的光量子不會與樣品相互作用。樣品無需暴露在有害強度的光輻射下，也就防止了它的損壞。

這個原理聽起來似乎是可行的，但具體試驗情況卻不得而知。Fraunhofer IOF説他們正在努力將這一基本原理轉化為實際應用，也將在CES 2021上，介紹量子成像方法以及這個方法在生物學和醫學領域的應用潛力。