兼容当前网络！科学家提出全新量子隐形传态

光子盒研究院出品

量子隐形传态技术允许量子信息在两个遥远的量子物体（发送方和接收方）之间发送，这期间使用量子纠缠性质传递信息。

这个过程的独特之处在于，信息的传输不是通过发送量子比特连接双方的通信渠道，而是信息在一个地方被摧毁、出现在另一个地方，这一过程中并没有物理上的“旅行过程”。这种惊人的现象之所以发生，只是由于量子纠缠和我们今天所知的经典比特的传输相结合。

量子隐形传态目前在量子通信和网络领域有很大的发展前景，因为它将允许网络节点之间的量子比特在非常长的距离内传输，并使用之前描述的分布式纠缠。这种技术将促进这些量子技术与当前电信网络的整合，并允许超安全的通信、将其延伸到非常长的距离。

在20世纪90年代初从理论上提出，世界各地的不同团体都对量子隐形传态进行了实验演示。虽然科学界多年来在如何进行这些实验方面积累了丰富的经验，但在如何实际传送信息，使快速、可靠的量子通信在一个巨大的网络上实现，仍然是一个开放的问题。

——这种基础设施应该与现有的电信网络兼容；此外，量子隐形传态协议需要在具有远程传输信息的量子比特上实现最后的操作，这种功能被称为“主动前馈(active feed-forward)”，允许信息的传输在长时间内高保真地进行。

为此，接收器必须有一个被称为“量子存储器”的装置，它可以存储量子比特而不使其变形，直到最后一次操作被应用。最后，这种量子存储器必须能够以“复用或多模态”的方式运行，以便在发送方和接收方相距甚远时最大限度地提高信息传送速度。到目前为止，还没有任何实施方案在演示本身中包括这些既定要求。

在这种情况下，ICFO研究人员Dario Lago-Rivera、Jelena V. Rakonjac和Samuel Grandy在ICREA教授Hugues de Ridmaton的带领下，实现了量子信息从光子到固态量子比特的长距离隐形传态。该成果发表在《自然·通讯》上。

这项技术涉及到主动前馈（主动前馈方案）的使用，结合存储器的多态性，使其有可能最大限度地提高远距离传输的速率。所提出的实验架构已被证明与电信信道兼容，因此将使未来长距离量子通信的整合和扩展成为可能。

具体来说，该团队建立了两个实验站：通常被俗称为Alice和Bob。两者由缠绕在卷轴上的1公里长的光纤连接，以模拟双方的物理距离。

实验中涉及三个光子。纠缠的光子对在Alice处产生，信号光子(Signal photon)被输送到一个掺Pr的晶体，而孪生光子(idler photon)则通过5米或1公里长的光纤被送往Bob。在Bob处会产生1436纳米的任意量子，并与孪生光子进行干扰。检测结果会传回给Alice，在那里进行处理，以便正确应用前馈。

量子隐形传态平台的实验装置示意图 / ICFO

一旦创建，“我们将第一个606纳米的光子保存在Alice中，并将其存储在一个复用的固态量子存储器中，将其保存在内存中，以便将来处理。同时，我们把在Alice中创建的信号光子，通过数公里的光纤发送到另一个实验站，称为Bob。”Dario Lago回忆说。

在这第二个配置中，科学家们有另一个晶体——Bob，在那里他们创造了第三个光子（光子3），他们在那里编码了他们想要传送的量子比特。在第三个光子被创造出来后，第二个1436纳米的光子从Alice被传送到Bob，这就是隐形传态实验的重中之重。

光子2和3在“贝尔状态测量(BSM)”中相互干扰。这种测量的效果是将光子2和3的状态结合起来。

由于光子1和光子2从一开始就纠缠在一起，就是说，它们的属性是相关的，BSM的结果是将光子3中编码的信息传递给光子1，由Alice储存在1公里外的量子存储器中。

正如Dario Lago和Jelena Rakonjac所指出的，“我们能够在两个之前从未接触过的光子之间传输信息，通过与第一个光子纠缠的第三个光子进行连接。”

此外，他还说：“这个实验的独特之处在于，我们使用了一个多重量子存储器，能够在第一个设备（Alice）互动发生后很长时间内存储第一个光子。我们仍然可以像协议中描述的那样处理传送的信息。”

这种“处理”就是Dario和Jelena提到的主动前馈技术。根据光子2和3之间的BSM结果，在存储到存储器中后，对光子1进行了相位转移。通过这种方式，第一个光子将始终编码相同的状态：因为如果没有它，一半的隐形传态事件将不得不失败。

另一方面，量子存储器的多模态/多路复用使他们能够提高隐形传态的速率，超过1公里的距离而不降低远距传输的量子比特质量。与主要受硬件速度限制的单模量子存储器相比，这导致了三倍的远程传输率。

复用能力和远距离隐形传态

这项实验的前奏可以追溯到2021年：同一小组当年进行的一项实验，首次成功地将两个相隔10米的多模量子存储器连接起来。

正如Hugues de Riedmaaton所强调的，“量子隐形传态将是未来量子互联网实现高质量、长距离通信的关键。我们的目标是在越来越复杂的网络中实现量子隐形传态，并预先分布纠缠。我们的量子节点（多路和固态）的性质，以及它们与电信网络的兼容性，使它们成为既有光纤网络中长距离部署的有希望的候选者。”

尽管有这些重要的结果，对实验的改进已经在进行中。一方面，该团队正专注于开发和改进技术，以便在保持上述效率和远距离传输率的同时，将这一设置扩展到更远的距离。

另一方面，他们的目标是研究并利用这项技术在不同类型的量子节点之间传输信息，以建立一个未来的量子互联网，能够在遥远的各方之间分发和处理量子信息。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-023-37518-5

[2]https://worldnationnews.com/new-long-distance-quantum-teleportation-technique/