量子通信重磅突破！經典量子信號同纜傳送，或鋪平量子互聯網道路
今天給大家帶來西北大學的一項重要突破，他們在世界上第一次把”嬌弱“的量子態和400Gbps“洶湧澎湃”的互聯網數據洪流，放在同一根光纖裏傳輸了30.2公里，還做到了89.9%高保真度，這就像是讓蝴蝶在重型卡車的車流中優雅穿行，而且還毫髮無損！這項研究已發表在《Optica》雜誌上。
你可能還有些輕度腦腐，這啥意思，有啥用，很重要嗎？
你現在手裏拿着手機吧，你刷抖音、朋友圈的時候，視頻、圖片、文字都會轉換成數字信號，通過光纖傳輸到全球各地，這叫互聯網。未來量子計算機發展起來了，我們也需要把它們聯網才能發揮巨大作用，這叫量子網絡。
但量子網絡要傳輸的不是經典的數字信號，而是量子態信號，傳輸方法也大相徑庭。
經典傳輸就像“搬運工”，把數據打包吭哧吭哧地從A點運送到B點。而量子態傳輸是瞬移魔法，它不是直接把量子態搬運過去，而是在A和B之間預先建立量子糾纏，然後利用糾纏和貝爾態測量（BSM）——啪，一個“測量”把原本的量子態“毀掉”，瞬間在B點“重生”出來——不需要任何時間過程。這就叫此物本無處，信手卻可尋。有點耳熟是不是？這就是量子力學裏的黑科技，量子隱形傳態，傳什麼態，當然是量子態了。
據不完全統計，目前全球鋪設的光纜總長度已經超過了50億公里，已經可以到達冥王星了。那麼問題就來了，未來建量子網絡，如果也要鋪這麼多光纜，那得多費錢啊，能不能就用現在的光纜呢？
這就是我開頭說的蝴蝶和重型卡車了。你要把量子態信號和經典數字信號放進一根光纖裏，那可比登天還難。爲啥這麼說呢？
經常看我節目的朋友應該都知道，我們講量子計算機的時候就經常講到，量子態那叫一個脆弱，任何些微的影響和干擾都可能讓它崩潰，能維持的時間只能以納秒、微秒計，要不怎麼退相干，要不怎麼要糾錯呢，這倆貨就成了量子計算機問世的最大障礙。
光子的量子態雖然穩定一些，但也經不起任何噪聲干擾，你要碰上經典通信裏那高功率的激光噪聲，那量子態還不嚇得瑟瑟發抖，瞬間就嗝屁了，所以要省錢把量子態擠進現有光纖傳送也不現實。
但西北大學科學家們不信這個邪，這就是他們這次的大招大突破了：他們把經典通信的400 Gbps洪荒數據流和量子隱形傳態的嬌滴滴信號，一股腦兒塞到同一根30.2公里的光纖裏，還保證了量子態的高保真傳輸。絕絕子，這就是雙核驅動的“牛魔王”嗎？
他們的實驗數據更是爆表：400 Gbps的經典數據流，不僅跑得順暢，還能繼續往上加功率，幾乎“拉滿”都不帶卡頓的。
量子隱形傳態呢？也沒因爲“鄰座太吵”而崩潰，依然穩穩保持着高保真度，讓人直呼“爺青回”！
這就好比給瓷娃娃找到了“終極護身符”，讓它和“大力士”同臺競技還相安無事，關鍵是還幹得漂亮。
懂的朋友可能就要問了，拉曼散射（SpRS）的噪聲是永遠無法完全避免的，在這麼吵的環境裏，量子態信號居然還能不被懟趴下，這是天降神兵護花，還是用了什麼魔法？
科學可不講什麼神啊魔的，科學家們用了三招來暗度陳倉，讓它們可以在一條道上相安無事：
一是錯峯分流，把量子態信號放在O波段（1290 nm），和C波段（1547 nm）的經典信號隔着一定的頻率距離。就像早晚高峯錯峯出行，每個波段各走各的車道，最大程度削減相互的干擾。
二是一夫當關，給量子態信號通道配了火力全開的“過濾網”窄帶濾波器，讓亂七八糟的噪聲“有來無回”。這感覺就像在繁華的鬧市區安了個“隔音門”，只讓想要的聲音進來，不速之客嘛，掃地出門。
三是門禁識別，光過濾還是可能有人混進來，科學家們乾脆搞了門禁識別，多光子關聯檢測，只有“白名單”上的纔是真正的的“量子隊伍”的放進來。有點像從前我們玩的“對暗號”，天王蓋地虎，寶塔鎮河妖，只有對上口令的人才可入場。
具體來說，研究人員構建了一個三節點量子隱形傳態系統，利用一根總長30.2公里的光纖，同時傳輸高功率的400 Gbps經典通信信號和量子態信號。在這個系統中，Alice節點發送一個編碼了量子態的單光子，而Bob節點生成一對糾纏的貝爾態光子，其中一個光子與400 Gbps的經典信號一同通過光纖傳輸到中點Charlie節點。在距離各端15公里的中點，Charlie節點對Alice的單光子和Bob傳來的糾纏光子進行貝爾態測量。
結果令人振奮，在不影響經典通信傳輸的情況下，研究團隊成功地將Alice的量子態傳輸到了Bob的目標光子，測得的平均保真度高達89.9%，顯著高於僅依賴經典物理方法的界限（約爲67%）。這一成果證明了在高功率經典信號環境下，非經典隱形傳態是可行的。
簡單來說就是，這項技術的突破爲未來的量子互聯網鋪平了道路。通過在現有的光纖基礎設施中集成量子網絡，科學家們無需大規模更換或新增光纖，便能大幅降低量子網絡的部署成本，加快量子技術的普及與應用。
當然，我們也不應對這項突破過分樂觀，因爲量子計算機、量子互聯網現在都還在研發初期，目前實現的也只是單光子量子隱形傳態與經典信號的同纜傳送，研究人員下一步準備進行兩對糾纏光子更長距離的糾纏交換，實現分佈式量子應用的另一個里程碑。這將進一步推動量子中繼、量子重複器和網絡化量子計算機的發展，使量子互聯網真正走向實用化。
總之就是，如果量子互聯網是寫八字的話，現在才提起筆讓筆尖落在了紙上，離寫完還有極爲漫長的距離，需要克服無數的技術困難和障礙。
參考文獻： Thomas, J. M., et al. (2024). Quantum teleportation coexisting with classical communications in optical fiber. Optica, 11(12), 1700-1708.
