核心發(fā)現(xiàn)：

• 通過(guò)識(shí)別低干擾波長(zhǎng)并使用特殊濾波器，該團(tuán)隊(duì)成功地在一條30公里長(zhǎng)的光纜上，與高速互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)同時(shí)傳輸了量子信息。
• 這項(xiàng)研究簡(jiǎn)化了量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并為利用現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離的量子連接奠定了基礎(chǔ)。

西北大學(xué)的研究人員在光學(xué)領(lǐng)域世界頂尖期刊《Optica》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，展示了量子通信可以在同一光纜中與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)共存。這項(xiàng)突破對(duì)于量子計(jì)算和先進(jìn)傳感技術(shù)所需基礎(chǔ)設(shè)施的簡(jiǎn)化具有重要意義。

該研究的負(fù)責(zé)人，西北大學(xué)電氣工程教授Prem Kumar表示：“這令人難以置信，因?yàn)闆](méi)有人認(rèn)為這是可能的。我們的工作展示了一條路徑，可以實(shí)現(xiàn)下一代量子網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)共享統(tǒng)一的光纖基礎(chǔ)設(shè)施。基本上，它為將量子通信推向新的高度打開(kāi)了大門(mén)。”

量子隱形傳態(tài)的原理

量子隱形傳態(tài)是一種安全地遠(yuǎn)距離共享信息的方式，無(wú)需實(shí)際傳輸信息本身。該過(guò)程依賴于量子糾纏，即兩個(gè)粒子之間產(chǎn)生聯(lián)系，使得一個(gè)粒子的狀態(tài)瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，無(wú)論它們之間距離多遠(yuǎn)。這使得信息可以在相隔數(shù)公里的粒子之間傳遞，而無(wú)需直接進(jìn)行物理傳輸。

核心突破

在光通信中，所有信號(hào)都被轉(zhuǎn)換為光。傳統(tǒng)的信號(hào)使用數(shù)百萬(wàn)個(gè)光粒子，而量子信息則依賴于單個(gè)光子。

這項(xiàng)技術(shù)的核心在于“破壞性測(cè)量”。通過(guò)對(duì)兩個(gè)光子進(jìn)行破壞性測(cè)量——一個(gè)光子攜帶量子態(tài)，另一個(gè)光子與另一個(gè)光子糾纏——量子態(tài)被轉(zhuǎn)移到剩余的光子上，而這個(gè)光子可能非常遙遠(yuǎn)。隱形傳態(tài)允許在很遠(yuǎn)的距離上交換信息，而不需要信息本身進(jìn)行物理傳輸。

挑戰(zhàn)：在交通擁堵中穿行

這項(xiàng)研究面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是證明量子隱形傳態(tài)可以在擁擠著傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)的光纜中工作。量子通信中使用的精細(xì)的單光子很容易被構(gòu)成傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)流量的數(shù)百萬(wàn)個(gè)光粒子淹沒(méi)。可以比作“一輛脆弱的自行車試圖穿過(guò)一條擁擠的、高速行駛的重型卡車隧道。”

解決方案：

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Kumar教授和他的團(tuán)隊(duì)研究了光在光纖電纜中的散射方式。他們?yōu)樗麄兊墓庾哟_定了一個(gè)不那么擁擠的光波長(zhǎng)，并添加了濾波器，以最大限度地減少來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)流量的噪音。這種仔細(xì)的優(yōu)化使得他們能夠在沒(méi)有干擾的情況下，同時(shí)傳輸量子信息和經(jīng)典數(shù)據(jù)。

研究人員仔細(xì)研究了光的散射方式，并將光子放置在一個(gè)散射機(jī)制最小化的關(guān)鍵點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)可以在不干擾同時(shí)存在的經(jīng)典信道的情況下進(jìn)行量子通信。

測(cè)試與結(jié)果：

為了測(cè)試這種方法，研究人員使用了一根30公里長(zhǎng)的光纖電纜，兩端各有一個(gè)光子。他們同時(shí)通過(guò)電纜發(fā)送量子信息和高速互聯(lián)網(wǎng)流量，并測(cè)量接收端量子信息的質(zhì)量。結(jié)果證實(shí)，即使在互聯(lián)網(wǎng)流量增加的復(fù)雜情況下，量子隱形傳態(tài)依然有效。

雖然許多研究小組已經(jīng)研究了光纖中量子通信和經(jīng)典通信的共存，但這項(xiàng)工作是第一個(gè)展示在這種新情景下進(jìn)行量子隱形傳態(tài)的。這種無(wú)需直接傳輸即可發(fā)送信息的能力，為在無(wú)需專用光纖的情況下執(zhí)行更高級(jí)的量子應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。

下一步

Kumar和他的團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是在更遠(yuǎn)的距離上擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，并探索更復(fù)雜的量子技術(shù)，例如糾纏交換。這涉及到使用兩對(duì)糾纏光子來(lái)擴(kuò)展量子通信網(wǎng)絡(luò)的范圍。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃使用現(xiàn)實(shí)世界中的地下電纜而不是實(shí)驗(yàn)室控制的線軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

Kumar教授認(rèn)為，這些進(jìn)展可以為廣泛的量子連接鋪平道路。量子隱形傳態(tài)有能力在地理上遙遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間安全地提供量子連接，如果我們選擇合適的波長(zhǎng)，我們就不必建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施。經(jīng)典通信和量子通信可以共存。

這項(xiàng)工作是朝著將量子技術(shù)集成到日常網(wǎng)絡(luò)邁出的重要一步，使得先進(jìn)的量子應(yīng)用更易于獲得和實(shí)用。