核心發現：

• 通過識別低干擾波長并使用特殊濾波器，該團隊成功地在一條30公里長的光纜上，與高速互聯網信號同時傳輸了量子信息。
• 這項研究簡化了量子網絡基礎設施，并為利用現有系統實現安全、長距離的量子連接奠定了基礎。

西北大學的研究人員在光學領域世界頂尖期刊《Optica》上發表了一項研究，展示了量子通信可以在同一光纜中與傳統的互聯網信號共存。這項突破對于量子計算和先進傳感技術所需基礎設施的簡化具有重要意義。

該研究的負責人，西北大學電氣工程教授Prem Kumar表示：“這令人難以置信，因為沒有人認為這是可能的。我們的工作展示了一條路徑，可以實現下一代量子網絡和經典網絡共享統一的光纖基礎設施。基本上，它為將量子通信推向新的高度打開了大門。”

量子隱形傳態的原理

量子隱形傳態是一種安全地遠距離共享信息的方式，無需實際傳輸信息本身。該過程依賴于量子糾纏，即兩個粒子之間產生聯系，使得一個粒子的狀態瞬間影響到另一個粒子的狀態，無論它們之間距離多遠。這使得信息可以在相隔數公里的粒子之間傳遞，而無需直接進行物理傳輸。

核心突破

在光通信中，所有信號都被轉換為光。傳統的信號使用數百萬個光粒子，而量子信息則依賴于單個光子。

這項技術的核心在于“破壞性測量”。通過對兩個光子進行破壞性測量——一個光子攜帶量子態，另一個光子與另一個光子糾纏——量子態被轉移到剩余的光子上，而這個光子可能非常遙遠。隱形傳態允許在很遠的距離上交換信息，而不需要信息本身進行物理傳輸。

挑戰：在交通擁堵中穿行

這項研究面臨的一個主要挑戰是證明量子隱形傳態可以在擁擠著傳統互聯網信號的光纜中工作。量子通信中使用的精細的單光子很容易被構成傳統互聯網流量的數百萬個光粒子淹沒。可以比作“一輛脆弱的自行車試圖穿過一條擁擠的、高速行駛的重型卡車隧道。”

解決方案：

為了解決這個問題，Kumar教授和他的團隊研究了光在光纖電纜中的散射方式。他們為他們的光子確定了一個不那么擁擠的光波長，并添加了濾波器，以最大限度地減少來自互聯網流量的噪音。這種仔細的優化使得他們能夠在沒有干擾的情況下，同時傳輸量子信息和經典數據。

研究人員仔細研究了光的散射方式，并將光子放置在一個散射機制最小化的關鍵點，發現可以在不干擾同時存在的經典信道的情況下進行量子通信。

測試與結果：

為了測試這種方法，研究人員使用了一根30公里長的光纖電纜，兩端各有一個光子。他們同時通過電纜發送量子信息和高速互聯網流量，并測量接收端量子信息的質量。結果證實，即使在互聯網流量增加的復雜情況下，量子隱形傳態依然有效。

雖然許多研究小組已經研究了光纖中量子通信和經典通信的共存，但這項工作是第一個展示在這種新情景下進行量子隱形傳態的。這種無需直接傳輸即可發送信息的能力，為在無需專用光纖的情況下執行更高級的量子應用打開了大門。

下一步

Kumar和他的團隊的目標是在更遠的距離上擴展實驗，并探索更復雜的量子技術，例如糾纏交換。這涉及到使用兩對糾纏光子來擴展量子通信網絡的范圍。該團隊還計劃使用現實世界中的地下電纜而不是實驗室控制的線軸進行實驗。

Kumar教授認為，這些進展可以為廣泛的量子連接鋪平道路。量子隱形傳態有能力在地理上遙遠的節點之間安全地提供量子連接，如果我們選擇合適的波長，我們就不必建設新的基礎設施。經典通信和量子通信可以共存。

這項工作是朝著將量子技術集成到日常網絡邁出的重要一步，使得先進的量子應用更易于獲得和實用。