美国西北大学研究人员在承载繁忙流量的电信光纤中成功演示量子纠缠

 众所周知，量子信息极其脆弱；而互联网流量却恰恰相反，极其庞大且强劲。

然而，美国西北大学（Northwestern University）的科学家们证明，这两者可以在同一根光纤中和平共存。

在一项最新研究中，研究人员成功将纠缠光子通过一条连接埃文斯顿（Evanston）与芝加哥市中心的 24.4 公里光纤进行传输，而该光纤当时正同步承载着大容量的互联网流量。即便处于传统数据的洪流之中，量子信号依然保持得极其完好——纠缠保真度高达 94% 以上。

这项工作通过允许脆弱的量子信号与强劲的经典数据流共享同一根光纤，展示了一条无需铺设全新通信基础设施即可构建未来量子网络的可行路径。

该研究发表于《Optica Quantum》期刊，标志着首次在同步承载现代商业电信流量的光纤上，实现了远距离节点间的纠缠分发。

“与经典信号相比，量子信号非常非常微弱，”研究的资深作者、西北大学的普雷姆·库马尔（Prem Kumar）表示。“这就像一只蚂蚁行走在满是大象的道路上。我们的结果表明，光子可以在这段旅程中幸存下来并保持纠缠状态。”

库马尔是量子通信领域的专家，任西北大学麦考密克工程学院电气与计算机工程系教授，并主持光子通信与计算中心。库马尔研究组的研究生吉娜·塔尔科特（Gina Talcott）为该研究的第一作者。

与当今将信息存储为比特（0 和 1）的互联网不同，量子网络依赖于量子态，例如量子计算中的量子比特。这包括量子纠缠——一种无论两个粒子相距多远，其量子态都紧密不可分割的特性。纠缠粒子无需物理穿梭传输信息，而是可以通过一种被称为隐形传态的过程协助在远距离间交换量子信息。虽然这种方法超快且安全，但它对干扰也极其敏感。哪怕极微量的光噪声也会淹没携带信息的光子。

“在光通信中，所有信号都被转换为光，”库马尔说道。“传统的通信信号通常包含数百万个光粒子，而量子信息使用的是单光子。”

在 2024 年的一项研究中，库马尔及其合作者发现了一种帮助娇贵的光子避开繁忙流量的新方法。在深入研究了光在光纤内的散射方式后，团队找到了一个不那么拥挤的光波长来放置光子。随后，他们加装了特殊滤光片，以减少来自常规互联网流量的噪声。在使用长达 30 公里、载满高速互联网流量的光纤进行的实验室实验中，该方法成功奏效。

“在那个实验中，我们展现了实现的可能性，”库马尔说。“我们在 30 公里的距离上实现了真实的量子隐形传态，但这只是在实验室里。我们希望能加入更多现实条件，将实验带入真实世界。”

在这项全新实验中，库马尔在位于西北大学埃文斯顿校区的实验室里生成了纠缠光子对。每对纠缠光子中的一颗留在埃文斯顿，而它的伙伴则通过现成部署的光纤传输 24.4 公里，抵达位于芝加哥市中心西北大学校区的星光国际/全国通信交换设施。这些光子与两个 800 Gbps（千兆比特每秒）的数据通道共享同一根光纤，同时还承受着代表满载商业链路的额外光功率。

“这根光纤承载的功率足以传输高达每秒 36 Tbps（太比特每秒）的经典数据，”库马尔表示。“这大致相当于 2,000 万个 YouTube 视频同时通过一根光纤进行在线播放。”

为了防止强烈的流量淹没量子光子，库马尔及其团队将光子移动到了光谱中更安静的区域，即 O 波段（O-band）。而传统的通信则保留在商业系统通常运行的 C 波段（C-band）。

由于实验在两个物理分隔的地点之间进行，研究人员还需要将网络两端保持在万亿分之一秒级别的同步状态。通过使用一种名为“白兔”的光计时系统，他们实现了皮秒级同步。这种高精度使得团队能够在沉重的背景流量干扰下，实时识别出匹配的纠缠光子对。

库马尔及其团队测得纠缠保真度超过 94%，证实了纠缠状态在传输后依然完好，达到了经典通信系统绝不可能复制的水平。

该研究是将量子技术与现有电信系统相融合这一更广泛趋势的一部分。库马尔与共同作者乔丹·托马斯（Jordan Thomas）近期在《Optics & Photonics News》的专题文章中探讨了这一演进趋势。

接下来，团队计划在真实的电信网络中跨远距离节点执行量子隐形传态。虽然库马尔已在实验室完成了隐形传态，但他希望在承载商业流量的城域光纤上实现这一演示。

“我们跨过了一座重大桥梁，证明了我们能够进行纠缠分发，”库马尔说道。“但隐形传态分为两步：首先你需要分发纠缠，然后你需要传输信息。每一步都变得更加复杂和困难，但我们正在证明这是可能的。”

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原文：Northwestern University Researchers Demonstrate Quantum Entanglement Over Busy Telecom Fiber