充气空心波导通过将光引导穿过充满气体的中心区域，实现了高效的四波混频，使中间激光能够将光转换为新的频率，同时保持相干量子信息传输所需的光谱相位。来源：H. Zhang 等人，doi 10.1117/1.APN.5.6.066002。

相位描述了光波结构的一部分，在编码和传输量子信息方面起着核心作用。如果波长转换过程以不可预测的方式改变相位，信息可能会受到破坏或丢失。因此，实现相位保持的转换是构建能够使不同量子技术协同工作的接口的关键一步。

为研究这一问题，团队在充满氙气的中空光导纤维（一种气体填充的中空芯毛细管光纤）中模拟了频率转换过程。在该方案中，入射光信号与光纤内部强的中间激光脉冲相互作用，通过四波混频产生新的输出波长。

研究人员考察了三种与未来量子技术相关的转换方案：将波长为1030纳米的红外光转换为波长为343纳米的紫外光，将波长为1550纳米的通信带宽光转换为波长为308纳米的紫外光，以及将波长为1550纳米的通信带宽光转换为波长为516纳米的可见光。这些波长组合有助于将光纤通信网络与光钟、离子阱量子器件、里德堡原子平台和稀土量子存储器等系统连接起来。

团队并未仅关注转换效率，而是分析了相位信息从输入信号向新生成的输出光中传递的准确性。他们模拟了不同类型的相位结构，包括线性相位模式以及两种二次相位调制形式，这些调制会影响脉冲随时间的变化方式。通过比较输入与输出信号的相位，团队成员计算出相关性值，以表明在转换过程中相位信息的保留程度。

模拟结果表明，在多种工作条件下，相位保持性良好。在许多情况下，输入与输出相位谱之间的相关性超过0.95，在有利条件下甚至高于0.99。最高的相位保真度通常出现在中间激光脉冲能量较低且带宽较窄时。在此类条件下，波长转换过程能够以极小的失真传递相位信息。

该研究还表明，性能在很大程度上取决于转换路径。将1550纳米光转换为516纳米光的电信号到可见光转换表现出尤为稳健的特点。在测试的大部分参数范围内，仍保持较高的相位相关性，这表明这种波长配对可能在效率与相干性之间提供了理想的平衡。相比之下，电信号到紫外光的转换对工作条件更为敏感，随着脉冲能量和带宽的增加，相位保真度逐渐下降。

研究人员确定了这些限制的来源。随着激光能量的增加，光纤内的非线性效应会变得更明显。这些效应可能使光谱变宽并改变其相位，从而降低波长转换的精度。研究结果凸显了一个重要的权衡：提高转换效率的条件也可能导致相位失真加剧。因此，成功的量子换能器需要在效率和相干性之间取得平衡，而不能仅优化单一指标。

团队还分析了转换效率。在直线相位条件下，红外到紫外的转换效率最高可达28%；电信到紫外的转换效率最高达8.4%，而电信到可见光的转换效率约为10.8%。总体而言，脉冲能量越高、带宽越宽，效率通常会提高，但往往以牺牲相位质量为代价。

尽管该研究是通过建模而非直接的量子态测量完成的，但结果表明，充满气体的空心芯光纤可为连接在不同波长上运行的量子技术提供一个实用平台。在频率转换过程中保持相位信息的能力尤为重要，因为这正是实现量子相干性的基础，而量子相干性是传输和处理量子信息所必需的条件。

“这些发现为跨宽光谱带整合异构量子平台奠定了基础，”该报告的通讯作者张浩表示。

张浩指出，未来的实验需要验证这种保相行为是否同样适用于量子态和纠缠态。如果得到证实，这一方法有望帮助弥合当前许多大规模量子网络所需组件之间的光谱间隔。

这项研究发表于《先进光子学网》（Advanced Photonics Nexus）期刊。

发布于：2026年8月

*频率

在电磁辐射中，指单位时间内经过固定点的波峰数量，适用于光或其他波动运动。以赫兹或每秒周期数表示。

*量子

“量子”一词指的是在原子和亚原子尺度上参与相互作用的物理量的基本单位或离散数量。它源自量子理论，这是20世纪初出现的一门物理学分支，用于解释在极小尺度上观测到的现象，而这些现象在经典物理学中无法得到准确的解释。 

*波长  

电磁能量以正弦波的形式传播。波长是指该波一个周期所覆盖的物理距离，与频率成反比。 

*四波混频  

一种在WDM和DWDM系统中发生的现象，当三个接近零色散波长的信号波长相互作用时，会产生一个第四条波长，与原始信号发生干涉。某些系统可设计适度的色散，以确保这种效应不会发生。

*相位

在光学和光子学中，“相位”是指电磁波（如光）的一种特性，用于描述波在振荡周期内特定时间点的位置。更具体地说，它表示波相对于参考点（通常是周期的起点）的位置。在光学中讨论相位时，通常以两波之间的相位差或单个波的相位来描述。