量子比特能通过当今的互联网线路进行隐形传输吗？

Prem Kumar

几十年来，研究人员一直试图将量子信号与经典信号一起挤入光纤电缆。然而，量子比特基于单个粒子的微妙量子态，这些量子态可能会被热噪声和其他因素破坏。

上个月，美国西北大学的工程师们将一对纠缠光子通过一根同时传输着每秒400吉比特经典信号的光纤发送了30多千米。这些纠缠态随后实现了一种被称为量子隐形传态的量子数据传输过程。量子隐形传态包括将一个粒子的量子态传输到远处的另一个粒子上，从而有效地使量子信息（也就是量子比特）能够在空间中“隐形传输”。

尽管“隐形传态”这个词带有科幻意味，但它也没有任何神秘或超凡脱俗之处。除了非常精细地在极其脆弱的中性原子量子计算机或超导电路周围进行分流之外，隐形传态是量子信息在空间中进行物理移动的主要方式之一。

“量子计算有很多新的需求，”论文的共同作者、位于伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学的电气与计算机工程教授Prem Kumar说，“但设计者们意识到，这种规模的扩大将受到内部通信的限制。”

换句话说，随着量子计算机中量子比特数量的增加，所有量子比特之间的通信（这些量子比特不一定都包含在同一台物理计算机内，甚至不一定在同一建筑物或地点内）变得越来越关键。因此，在寻求扩大量子计算规模的过程中，通过现有的长距离光纤线路传输量子比特变得非常重要。

所以，当如今一些研究团队致力于制造更大、更快、更好的量子计算机时，像Kumar团队这样的其他团队正在努力扩大能够将量子比特从一个地方传输到另一个地方的光纤通道的范围——这反过来可以扩大能够进行的量子计算的种类和复杂程度，以及重新利用现有基础设施来进行量子计算的能力。

这一切都远非易事。更直接明了的是量子比特从一个地方到另一个地方的传输方式。处于运动中的量子比特通常是光子，而光子能很好地在玻璃纤维中移动。现有的光纤线路——无论是闲置的，还是已经有常规数字数据流量在其中传输的在用线路——将是把量子信息从A点发送到B点的最简捷的途径。

此外，西北大学博士生、该研究的共同作者Jordan Thomas表示，让量子比特与常规比特在相同的光纤线路中传输，在实际应用中也会产生天壤之别。他说：“共存使得大规模量子网络成为一个更可想象的现实。”

1997年，英国电信的一位科学家发现了在常规光纤线路中量子数据与经典比特一同传输时的一个关键复杂问题（https://digital-library.theiet.org/doi/abs/10.1049/el%3A19970147）。常规数据流量产生的光子噪声渗透到了微妙的量子信号中——就像在热闹的晚宴的嘈杂背景声中试图分辨几句低语一样。事实上，在21世纪的前20年里，人们进行了许多尝试，试图在每秒千兆比特的激光脉冲通过同一光纤所产生的光子嘈杂声中平衡微弱量子信号的传输。

Kumar的团队在他们近期发表于《光学》杂志的论文中报告称，近年来的研究报告已经探索了更多、更好的通过闲置或未使用光纤实现量子比特隐形传态的方式（https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-12-1700&id=565936）。他们自己的团队在2023年表明，他们能够通过常规光纤在传输非常高功率经典信号的同时将纠缠粒子发送48千米，这为上个月更复杂的隐形传态演示奠定了基础（https://www.nature.com/articles/s41377-023-01158-7，https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-26-43035&id=544123）。

隐形传态是新的传输方式吗？

Kumar的团队着手通过同时传输每秒多千兆比特常规数字通信的常规光纤线路进行量子隐形传态。Thomas说：“现在是开始研究隐形传态及其延伸技术的重要时刻，这样这项技术就能大规模应用，而不局限于闲置光纤。”

现在使之成为可能的一个步骤是光电探测器灵敏度的提高。Kumar说：“在过去15年里，探测技术发生了一场变革。”他们的团队开始使用在近红外O波段（代表波长范围为1260到1360纳米的光子）效率接近90%的传感器。相比之下，在2006年库马尔的团队开始涉足该领域的研究时，效率仅为20%（https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1694003）。

印度新德里电信发展中心的电信工程师Arka Mukherjee表示，由于在任何距离上发送可靠信号都存在困难，量子隐形传态与经典通信相结合的研究仍然相对不足。他补充说，对于现实世界的应用，网络工程师可能希望在每条光纤电缆中包含不止一个经典信号通道。他指出，相比之下，如今的电缆能够承载数十个通道，在骨干光纤网络中每个通道可承载100 - 200吉比特每秒（Gbps）的流量。所以，他说，降低每条光纤线路的噪声因素将变得更加重要。

一个将量子比特从A点传输到B点的现实世界光纤网络也将面临其他种类的挑战。例如，量子通信需要精确的同步水平以实现定时精度和纠缠验证（https://spectrum.ieee.org/%5C%22https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=935535%5C%22）。为解决这个问题，工程师们正在开发时间协议和其他同步方法，以实现经典信号和量子信号在同一条线路中的和平共处。

Thomas说：“我们的研究小组也在这个课题上做了一些工作。所以我们对这些同步系统以及它们在同一光纤中共存有一些经验，我们将在接下来的实验迭代中运用这些经验。”

美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的物理学家Anouar Rahmouni说，Kumar的演示“有潜力通过使用经典信号作为探测信号来补偿量子网络节点之间的时间和偏振漂移，从而有助于应对这些挑战”。Rahmouni说，Kumar团队的工作是朝着量子网络迈出的“关键一步”。