科学家用光实现了信息“瞬间移动”

该研究发表于《自然·通讯》。德国亥姆霍兹研究所半导体光学与功能界面研究所（IHFG）所长、量子中继器网络（Quantenrepeater.Net, QR.N）研究项目副发言人彼得·米希勒教授表示：“我们在全球首次成功实现了源自两个不同量子点的光子间的量子信息传输。”要理解其重要性，可先了解通信原理：无论是发送 WhatsApp 消息还是流媒体视频，数据都依赖 0 和 1；量子通信原理类似，但以单个光子为信息载体，通过光子的偏振方向（水平、垂直或两者叠加态）编码 0 或 1。由于光子遵循量子力学，测量其偏振会留下可探测痕迹，任何窃听行为都会被发现。

现有互联网基础设施的兼容性是另一关键问题。经济可行的量子互联网需依赖现有光纤，但光在光纤中传输距离有限。传统信号每 50 公里左右用光放大器刷新，而量子信息无法放大或复制，因此需借助量子物理中的“量子隐形传态”——只要信息本身未知，就能将其从一个光子转移到另一个光子。

为利用量子隐形传态，科学家正设计量子中继器，在量子信息消失前对其“更新”，作为量子互联网的关键节点。但研发难度大：隐形传态要求光子在时间、颜色等特性上几乎一致，而不同来源的光子难以满足。IHFG 科学家、该研究第一作者蒂姆·斯特罗贝尔指出：“不同量子点产生的光子从未实现过隐形传态，因其难度极大。”

作为 QR.N 项目的一部分，团队研发出能发射高度匹配光子的半导体光源。斯特罗贝尔解释：“这些半导体‘小岛’如同原子，具有特定的固定能级”，可产生特性明确的单个光子。德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所的合作伙伴研发出差异极小的量子点，使两个独立位置能产生近乎相同的光子。

在斯图加特大学，研究人员成功将一个量子点光子的偏振态隐形传态到另一个量子点产生的光子上：一个量子点发射单个光子，另一个产生纠缠光子对（“纠缠”指两光子即便物理分离也共享单一量子态）。纠缠对中的一个光子传向第二个量子点并与其光子相互作用，叠加后将原始光子的信息转移到纠缠对中较远的那个光子上。

关键突破在于使用“量子频率转换器”，由萨尔兰大学量子光学专家克里斯托夫·贝歇尔教授团队设计，可调整光子间的微小频率差异。

米希勒表示：“不同量子点光子间的量子信息传输是实现更远距离通信的关键一步。”实验中两个量子点通过约 10 米光纤连接，斯特罗贝尔补充：“我们正致力于实现更远距离。”此前研究已证明，量子点光子的纠缠态能在斯图加特市中心 36 公里光纤传输后保持。团队还计划提高目前略高于 70%的隐形传态成功率——量子点自身的差异仍导致光子存在微小不一致，斯特罗贝尔称“将通过改进半导体制造技术减少这种差异”。

IHFG 小组负责人、研究协调人之一西蒙娜·卢卡·波塔卢皮博士指出：“实现这项实验是我们长期的目标——这些成果凝聚了多年的科研投入与进步。看到基础研究实验迈向实际应用，令人振奋。”

量子中继器研究获德国联邦研究、技术与空间部（BMFTR）资助，是“Quantenrepeater.Net（QR.N）”项目的一部分。该项目由萨尔兰大学协调，汇集了 42 所高校、研究机构及企业合作伙伴，共同研发和测试光纤网络中的量子中继器技术，其前身为 2021 - 2024 年同样获 BMFTR 支持的“Quantenrepeater.Link（QR.X）”项目，斯图加特大学科学家在两项计划中均发挥核心作用。