科学家利用"负光"在热中隐藏数据

一种新型的隐形通信

研究人员实现了听起来像科幻小说的成就：将秘密消息隐藏在每个温暖物体自然散发的热辐射中。通过利用一种称为负光的量子现象，该团队证明了数据可以被编码到热信号中，使得传输与环境背景热噪声完全无法区分。

这一突破依靠了一种光的反直觉特性，该特性已被理论化数十年，但直到最近才被用于实际应用。负光发生在特殊设计的光源发射与环境热场反相关的光子时，有效地在电磁光谱中创造了一个阴影，可以在不产生任何超过噪声底线的可检测信号的情况下携带信息。

负光如何工作

在传统的光学通信中，激光或LED产生的光子清晰地突出于背景中。检测很直接，因为信号比周围环境更亮。负光完全颠覆了这一范式。

研究人员创建了一个光源，它产生的光子状态与环境热辐射相结合时，会消除背景噪声中的特定模式。对于测量总电磁场的外部观察者来说，没有什么不寻常的。这些读数看起来就像来自温暖物体的普通热波动。只有配备正确解码密钥的接收器才能从看似随机的热中提取隐藏的数据流。

把它想象成在字与字之间的空隙中写一条消息，而不是用字本身写消息。预期噪声的缺失成为信号，但只有当你知道确切要寻找什么样的缺失模式时才行。

对安全通信的影响

潜在的应用远远超出学术好奇心。传统的加密通信虽然在数学上是安全的，但仍然是可检测的。敌方可能无法读取加密消息，但他们可以观察到消息已被发送。负光通信甚至消除了这种元数据泄露。

军事和情报应用是显而易见的候选者。负光发射机可以从监控设备发送数据，而不会产生任何会警报附近检测设备的电磁特征。传输在热力学上将与设备自身的自然热辐射无法区分。

该技术也可用于需要无线电静默的场景。潜艇、隐形飞机和秘密地面行动都需要不留可检测痕迹的通信方法。目前的解决方案涉及预先安排的时间表、突发传输和跳频，所有这些都会产生短暂但可测量的信号。负光通信不会产生任何信号。

技术挑战依然存在

尽管演示很有希望，但从实验室概念验证到实际部署之间存在重大障碍。当前的数据传输速率与传统光学或无线通信相比极其低下。该团队在受控热环境中实现了短距离的可靠传输，但将技术扩展到更长距离会带来复杂性。

现实世界中的温度波动会产生噪声，可能会破坏精细的反相关模式。接收器必须精确了解环境热环境，以区分有意的负光模式与自然变化。这种对环境校准的要求增加了复杂性，可能会将技术限制在热背景相对稳定和可预测的场景中。

此外，所涉及的量子态很脆弱。使负光成为可能的光子反相关可能会被与干涉物质的相互作用所破坏。空气分子、灰尘颗粒和光学元件都会引入导致信号衰减的退相干。研究人员正在探索从量子计算中借用的纠错技术来解决这一限制。

超越保密性：科学应用

该研究还为基础物理学开辟了新的途径。精确工程化热辐射态的能力为研究热传输的量子特性提供了工具，这个领域称为量子热力学，近年来发展迅速。

热辐射是物理学中最古老的主题之一。Max Planck在1900年对黑体辐射的研究开启了量子革命。然而一百多年后，研究人员仍在发现热光隐藏着微妙的量子特性，这些特性可以被操纵和利用。负光实验证明了信号与噪声、信息与热之间的界限比以前理解的要更具可渗透性。

未来通信的一瞥

虽然主流应用仍需数年，但通过负光成功演示数据传输代表了我们对通信思维方式的概念突破。这样的理念是一条消息可以隐藏不是在信号中而是在精心设计的噪声缺失中，这挑战了关于通信本质的根本假设。随着量子技术的持续发展，负光通信最终可能与量子密钥分配和量子计算一起加入量子增强技术的不断增长的工具包中，重塑从国家安全到基础科学的各个领域。

本文基于Live Science的报道。阅读原文。