麻省理工学院（MIT）研究人员在推动微波量子技术走向实用化的道路上取得了重要突破，解决了制约先进信号处理与安全通信发展的一项核心难题。
研究团队开发出一种可扩展平台，无需庞大昂贵的冷却设备，即可生成高度相关的射频波对。在量子技术中，这类关联射频波可用于抗噪通信或高精度雷达与传感。然而，此前此类信号通常只能在极低温条件下的实验室环境中生成。
MIT研究人员制造出一种小型电子器件，可在室温条件下生成同类高度相关信号。
该器件内置磁性薄膜，薄膜与金属腔体内的微波能量相互作用，将一路输入信号分裂为两路相互关联的输出信号。研究人员利用该器件演示了安全通信功能——将信息编码于一路信号中，只有借助其"配对"信号才能解码还原。
"我们已证明可以借助磁体的量子特性实现新型通信与探测技术。希望这一平台的演示能够推动室温量子模拟器的进一步发展，它在开启未来众多科学发现方面具有巨大潜力。"该技术论文第一作者、MIT电气工程与计算机科学（EECS）博士生王秋源说道。
论文合作者还包括：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士生Aravind Karthigeyan、MIT博士后周仲道，以及通讯作者、EECS副教授、麻省理工电子研究实验室成员刘路乔。相关研究成果今日发表于《自然·电子》期刊。
同步信号
微波光子是构成无线通信与传感信号的基本粒子。
科学家可借助约瑟夫森结（超导电路的核心元件）将一个微波光子分裂为两个紧密关联的光子。这些关联微波光子可应用于安全通信或能探测极微弱信号的高性能雷达系统。
若要利用这类关联信号实现安全通信，工程师需要设计特定电子器件，通过改变信号属性将数据编码于其中一路信号，使得信息只能在接收端借助配对信号才能解码。但要使超导电路正常运行，必须将温度维持在零下273摄氏度以下，通常需要依赖体积庞大、价格昂贵且能耗极高的低温恒温器。
刘路乔课题组的研究人员在开展另一项研究时意识到，可以用磁体代替低温冷却超导电路，同样生成高度相关的微波信号。
他们将磁性薄膜置于微波谐振腔（一种能够捕获电磁能量的金属腔体）中，便可在室温下将一个输入微波光子分裂为一对具有不同频率、完全同步的信号。
"单独来看，每路信号都呈现随机性，但两者之间的相位关系保持高度相关。"王秋源解释道。
该器件依托磁子（一种磁能量子）工作。通常情况下，向磁性系统注入微波光子会生成一对频率相同的关联磁子。
尽管两个磁子存在关联，但由于频率相同，科学家无法将其分离。而要将一路信号用于发送、另一路用于安全通信中的探测，就必须实现磁子的分离。
混合系统
通过将磁性薄膜与微波谐振腔耦合，并精确控制注入器件的能量，研究人员得以形成磁子-光子混合波。这种混合波能够输出一对具有不同微波频率的同步信号。
信号之间保持强烈关联，但由于频率始终不同且随机变化，攻击者在没有配对信号作为"密钥"的情况下，无法从其中一路信号中还原所编码的信息。
研究人员通过将一张小图像编码于一路微波信号的频率中，演示了上述原理，并成功利用配对信号解码还原了该图像。
"磁子学系统展现出极为丰富的非线性动力学特性，但这些非线性特性在量子光学等领域的实际应用方面尚未得到充分开发。本研究解决了一项重要挑战：由同一泵浦光子产生的'孪生'磁子之间的频谱重叠问题。通过利用磁子与微波光子耦合所产生的能级排斥效应，我们实现了两个磁子在频率上的分离。"刘路乔表示，"我们相信，这一演示可为量子雷达、安全通信和量子极限传感等技术奠定基础，这些技术均依赖于相关乃至纠缠的微波源。"
这一磁子-微波混合系统还可用于抗噪通信——通过使接收方能够从被随机干扰数据混淆的信号中解码信息。
关联微波信号同样是量子模拟器的核心要素。量子模拟器是一种能够模拟亚原子粒子复杂行为与相互作用的装置，其计算能力超出经典计算机的处理范围。科学家正在研发量子模拟器，以探索新药物和新材料。
该新技术在室温下生成关联信号，有望提升量子模拟的可扩展性并降低成本。未来，研究人员希望为该平台开发可扩展架构，使其更接近实际部署应用，同时还将探索更多应用场景，并利用该平台深入研究关联微波信号的底层物理机制。
加拿大马尼托巴大学物理与天文学杰出教授胡坎明（未参与本研究）评价道："非简并参量磁子-极化激元平台的创建是腔磁子学领域的重要里程碑，将这一领域从相干微波生成拓展至多通道关联微波光子的产生。这一突破将对安全微波通信、硬件随机数生成、基于相关性的信号处理以及智能微波传感产生广泛影响，且所有应用均在室温经典体系下运行。展望未来，这一平台很可能被铭记为基于非线性腔磁子学实现量子启发微波传感与通信技术的起点。"
本研究部分获得美国国家科学基金会和美国能源部的资助支持。
Q&A
Q1：MIT开发的这种微波信号生成器件具体是如何工作的？
A：该器件将磁性薄膜置于微波谐振腔中，利用磁子与微波光子的耦合效应，将一个输入微波光子分裂为两个频率不同但高度同步的输出信号。关键在于，两路信号频率始终不同且随机变化，单独看都像随机噪声，但它们的相位关系保持强烈关联。这种设计无需低温冷却设备，可在室温下正常运行，大幅降低了部署成本和门槛。
Q2：这项技术为什么能实现安全通信？
A：安全性来源于信号的关联特性。发送方将信息编码于一路信号中，接收方必须持有配对的"孪生"信号才能解码还原。由于两路信号的频率随机且不可预测，攻击者即便截获其中一路，在没有配对信号的情况下也无法提取任何有效信息。研究人员已通过将图像编码并成功解码的实验验证了这一安全通信原理。
Q3：室温运行对这项技术的实用化有多大意义？
A：意义重大。此前生成同类关联微波信号需要将系统冷却至接近绝对零度（零下273摄氏度），依赖体积庞大、造价高昂、能耗极高的低温恒温器，只能在专业实验室中使用。MIT的新方案在室温下实现同等功能，彻底消除了这一瓶颈，为量子雷达、安全通信、量子传感及量子模拟器等技术的规模化部署铺平了道路。
