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中国科学家报告量子技术取得新突破,扫清实用量子通信一大障碍

量子隐形传态,这个听起来像科幻片台词的技术,正在以一种出人意料的方式变得越来越接近现实。中国山西大学苏晓龙教授团队近期在

量子隐形传态,这个听起来像科幻片台词的技术,正在以一种出人意料的方式变得越来越接近现实。

中国山西大学苏晓龙教授团队近期在《科学通报》上发表研究成果,宣布成功在连续变量系统中同时传送五个边带量子模(sideband qumodes)。这是量子隐形传态领域迄今为止首次实现这一壮举,标志着长期困扰该领域的单通道瓶颈被正式打破。

量子隐形传态并不是把物质从一个地方搬到另一个地方,它传递的是量子态——也就是量子信息本身。这个过程的核心是量子纠缠:两个粒子或光场模式之间存在一种神秘的关联,无论相隔多远,对一方的测量都能即时影响另一方的状态。利用这种纠缠,再配合经典通信信道,发送方可以将未知量子态"重建"在接收方那里,而无需物理传输任何粒子。

问题是,过去的连续变量量子隐形传态实验几乎都局限于每次只传送一个量子模式。这就好比高速公路只有一条车道,再快也快不到哪里去。

用"相位"做调音旋钮

苏晓龙团队的突破,关键在于一个精妙的相位控制机制。

研究人员对系统中两条经典通信信道的相位进行精细调节,就像拧动一个调音旋钮一样,能够控制每次实验中同时传送多少个边带量子模。在24 MHz的频率带宽内,他们最多实现了五个边带量子模的同时确定性传送,而且每次传送的模式数量可以按需调整,不是固定的。

这种可控性的意义远不止于实验室里的技术炫耀。在真实的量子通信网络中,信道资源需要动态分配,传输条件也在不断变化。能够"随时调整传送几个量子模"的系统,将比固定架构的系统灵活得多。

从物理原理上看,边带量子模是光场信号中不同频率分量上的量子信息载体,可以类比于经典通信中频分复用(FDM)的概念。苏晓龙团队的工作,本质上是把这种经典通信中早已成熟的并行传输思路,引入了量子信息领域,并以纠缠态为骨干实现了确定性的量子版本。

超越"不可克隆极限",才算真正的量子传送

衡量一次量子隐形传态是否"货真价实",科学界有一道硬门槛:传送保真度必须超过不可克隆极限(no-cloning limit)。

不可克隆定理是量子力学的基本原则之一,意思是你无法完美复制一个未知的量子态。这个极限划定了经典方法所能达到的最高保真度上限,任何低于这个上限的"传送",理论上都可以用纯经典手段模拟,称不上真正的量子隐形传态。

苏晓龙团队报告称,他们所有实验实例的传送保真度均约为70%,全部超过了不可克隆极限。这意味着他们的实验确实利用了量子效应,而非某种经典模拟。对于一个首次实现多模同时传送的系统来说,70%的保真度是一个相当扎实的起点。

事实上,这一数字的背后有着严苛的工程挑战。在24 MHz带宽内同时维持多个频率模式的纠缠、相干性与精确同步,需要光学与电子子系统的极度精密配合。研究团队表示,这套实验装置集成了最先进的连续变量纠缠态生成与表征技术,每一个细节都经过反复打磨。

从实验室到量子互联网,还有多远?

这项工作最令人兴奋的地方,或许在于它指向的未来图景。

量子互联网的核心需求之一,是能够高效、可靠地在多个节点之间传输量子信息。目前主流的离散变量系统(以单光子量子比特为基础)虽然精度高,但在扩展到大规模并行传输方面面临挑战。连续变量系统,尤其是基于光场边带模式的多模传送方案,提供了一条与经典光通信基础设施更为兼容的路径。

苏晓龙团队的研究人员本身也意识到,这项工作的意义不仅在于一次特定的实验演示,更在于它提出了一套可扩展的方法论:通过相位调控实现量子模式数量的按需分配,将连续变量量子隐形传态从单通道推向多通道,并在此过程中保持了量子完整性。

当然,从实验室演示到实用量子网络,路还很长。70%的保真度在真实网络的噪声环境下是否能够保持?在更长距离、更复杂拓扑结构下,多模纠缠态如何生成和维护?这些问题都有待回答。

但正如经典互联网从最初简陋的几个节点,一步步演化为覆盖全球的基础设施,量子通信的每一次"第一次",都在缩短这段距离。山西大学这次打开的,是一扇看得见入口的门。