现网光纤实现量子隐形传态

科学家如何通过传输网络流量的同款电缆传输量子态

去年，研究人员实现了一项曾经听起来像是科幻小说的壮举：他们在一根同时传输高速经典数据的运行中的互联网光纤上，隐形传态了一个光子的量子态。该团队没有为量子实验构建全新的专用线路，而是使用了电信工程师熟悉的波长分配、窄带滤波和时序技巧等技术，保护脆弱的量子信号免受附近互联网流量产生的噪声干扰。结果是：在数十公里的在役光纤上实现了可靠的量子态传输。

这里的“量子隐形传态”究竟意味着什么

量子隐形传态并不移动物质或能量。从实际角度来看，它将定义量子态的信息从一个粒子（或地点）转移到另一个粒子（或地点），而该状态在经典意义上并不会穿过中间空间。该协议包含三个要素：发送方和接收方共享的一对纠缠粒子；将未知输入状态与纠缠对的一半链接起来的联合测量（贝尔态测量）；以及测量结果的经典传输，以便接收方能够完成转移。由于经典结果必须通过正常方式发送，隐形传态不会违反因果律，也不能用于超光速通信，但它是量子网络的基础工具。

为什么这曾被认为“不可能”——以及团队是如何克服的

核心技术问题是噪声。标准电信光纤在所谓的C波段承载大量的光功率；那种强光会发生散射，并在整个光谱中产生背景光子，这可能会淹没用作量子比特的单个光子。突破来自于刻意将量子信号放置在光纤光谱的不同窗口（O波段），然后应用严格的光谱-时间滤波器加上符合探测来剔除噪声。该实验在一条同时承载400-Gb/s经典信道的30.2公里链路的中点附近进行了贝尔态测量，并证明了尽管存在沉重的流量，隐形传态保真度仍高于经典极限。这些实用的设计选择——波长工程、窄带滤波器和基于时序的预报——正是使在役光纤上的隐形传态成为可能的关键。

为什么使用现有的互联网技术至关重要

专用的“量子”光纤价格昂贵，且难以大规模推广。证明量子信号和经典信号可以在同一根电缆中共存，意味着网络运营商可能在无需挖掘街道或建设并行网络的情况下增加量子服务。这可能会加速分布式量子传感、量子密钥分发以及——最终——跨网络连接的量子计算机等用例的部署。简而言之，复用已安装的光纤设施显著降低了现实世界量子网络的门槛。

并非唯一的进展：芯片、长链路和存储器

这一隐形传态结果是快速发展的领域中一个值得注意的里程碑。其他团队正在解决互补性问题：例如，工程师最近构建了一个紧凑的硅基“Q-Chip”，它将经典控制信息与量子信号捆绑在一起，以便可以使用标准互联网协议在现有的运营商网络上进行路由——这是将量子流量整合到现有网络栈和管理工具中的重要一步。这项工作展示了在商业光纤上实现实用、芯片级量子信道控制的路径。

与此同时，不同的研究小组在真实电信光纤上推进了量子通信的距离：一项大规模演示在数据中心之间超过250公里的部署光纤上发送了相干量子消息，使用了室温半导体探测器和巧妙的相位稳定技术，以在长跨度内保持量子相干性。这些长距离实验通过展示现实世界的基础设施可以支持大都市和城市间规模的一系列量子协议，对隐形传态工作进行了补充。

与固定量子存储器之间的隐形传态——这对于构建能将量子链路延伸至直接传输限制之外的中继器至关重要——也在不断取得进展。最近的实验演示了将电信波长的光量子比特隐形传态到固态铒离子系综中，将实际量子中继器所需的存储器和光纤兼容光子结合在一起。将此类存储器与在役网络以及电信共存实验中使用的波长工程相结合，是逻辑上的下一步。

这在哪些方面改变了现状，哪些方面没有

• 短期：新的演示降低了基础设施障碍。预计未来几年将出现连接关键机构、银行或研究场所的试点项目，将经典流量与量子密钥分发和短程隐形传态链路相结合。
• 长期：全球量子互联网仍需要强大的量子中继器、标准化和可扩展的量子存储器。共享光纤上的隐形传态不会取代中继器；相反，它表明中继器可以部署在现有的光纤路线上。
• 运营挑战：在不可预测的商业流量旁承载量子信道需要精细的网络管理：在运营商能够大规模运行量子服务之前，将需要波长规划、动态滤波、路由策略和新的监测工具。

接下来关注什么

研究人员将结合这些演示中的元素：支持IP协议的芯片级控制、能够忍受在役网络噪声的隐形传态协议、使用半导体探测器的远距离相干链路，以及存储隐形传态状态的量子存储器。这些进展共同指向近期的大都市级量子服务，以及随着中继器硬件和标准成熟而出现的更广泛网络。实验表明，关键障碍——即对全新硬件路径的需求——不再是绝对的。相反，现在的挑战在于工程：将实验室方案转化为电信公司可以与其现有流量并行运行的健壮、可管理的服务。

对于物理学家和网络工程师来说，信息是明确的：量子网络正走出孤立的实验室工作台，开始学习互联网的语言。这种转变可能是这些实验最重要的结果——为量子革命提供了一条利用全球已经嗡嗡作响的光纤设施的务实路线。